Question

低温对生物的影响及生物对低温环境的适应是怎么样的？

Answer 1

低温对生物的影响温度低于一定的数值，生物便会因低温而受害，这个数值称为临界温度。在临界温度以下，温度越低生物受害越重。低温对生物的伤害可分为冷害、霜害和冻害三种。冷害是指喜温生物在零度以上的温度条件下受害或死亡，例如海南岛的热带植物丁子香在气温降至6.1℃时叶片便受害，降至3.4℃时顶梢干枯，受害严重。当温度从25℃降到5℃时，金鸡纳就会因酶系统紊乱使过氧化氢在体内积累而引起植物中毒。热带鱼，如鳉，在水温10℃时就会死亡，原因是呼吸中枢受到冷抑制而缺氧。冷害是喜温生物向北方引种和扩展分布区的主要障碍。

冻害是指冰点以下的低温使生物体内(细胞内和细胞间隙)形成冰晶而造成的损害。冰晶的形成会使原生质膜发生破裂和使蛋白质失活与变性。当温度不低于-3℃或-4℃时，植物受害主要是由于细胞膜破裂引起的；当温度下降到-8℃或-10℃时，植物受害则主要是由于生理干燥和水化层的破坏引起的。动物对低温的耐受极限(即临界温度)随种而异，少数动物能够耐受一定程度的身体冻结，这是动物避免低温伤害的一种适应方式，例如摇蚊在-25℃的低温下可以经受多次冻结而能保存生命。而一些潮间带动物在-30℃的低温下暴露数小时后，虽然体内90％的水都结了冰，但冰晶一般只出现在细胞外面，当冰晶融化后又能恢复正常状态。动物避免低温伤害的另一种适应方式是存在过冷现象，这种现象最早是在昆虫中发现的。当昆虫体温下降到冰点以下时，体液并不结冰，而是处于过冷状态，此时出现暂时的冷昏迷但并不出现生理失调，如果环境温度回升，昆虫仍可恢复正常活动。当温度继续下降到过冷点(临界点)时体液才开始结冰，但在结冰过程中释放出的潜热又会使昆虫体温回跳，当潜热完全耗尽后体温又开始下降，此时体液才开始结冰，昆虫才会死亡。昆虫的过冷点依昆虫的种类、虫态、生活环境和内部生理状态而有所不同。小叶蜂越冬时过冷到-25℃、-30℃而不死亡，并且还可借助于分泌甘油使体液冰点进一步下降。小茧蜂体内的甘油浓度在冬季可达到30％，可使体液冰点下降到-17.5℃，甚至可过冷到-47.7℃还不结冰。

生物对低温环境的适应长期生活在低温环境中的生物通过自然选择，在形态、生理和行为方面表现出很多明显的适应。在形态方面，北极和高山植物的芽和叶片常受到油脂类物质的保护，芽具鳞片，植物体表面生有蜡粉和密毛，植物矮小并常成匍匐状、垫状或莲座状等，这种形态有利于保持较高的温度，减轻严寒的影响。生活在高纬度地区的恒温动物，其身体往往比生活在低纬度地区的同类个体大，因为个体大的动物，其单位体重散热量相对较少，这就是Bergman规律。另外，恒温动物身体的突出部分，如四肢、尾巴和外耳等，在低温环境中有变小变短的趋势，这也是减少散热的一种形态适应，这一适应常被称为Allen规律，例如北极狐、赤狐、非洲大耳狐的耳壳的大小变化。恒温动物的另一形态适应是在寒冷地区和寒冷季节增加毛和羽毛的数量和质量或增加皮下脂肪的厚度，从而提高身体的隔热性能。

在生理方面，生活在低温环境中的植物常通过减少细胞中的水分和增加细胞中的糖类、脂肪和色素等物质来降低植物的冰点，增加抗寒能力。例如鹿蹄草就是通过在叶细胞中大量贮存五碳糖、黏液等物质来降低冰点，这可使其结冰温度下降到-31℃。此外，极地和高山植物在可见光谱中的吸收带较宽，并能吸收更多的红外线，虎耳草等耐寒植物的叶片在冬季时由于叶绿素破坏和其他色素增加而变为红色，有利于吸收更多的热量。动物则靠增加体内产热量来增加御寒能力和保持恒定的体温，但寒带动物由于有隔热性能良好的毛皮，往往能使其在少增加甚至不增加(北极狐)代谢产热的情况下就能保持恒定的体温。