假说和研究方法.PDF

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假说和研究方法

第一章 假说和研究方法 1 生态生理学的含义 植物生态生理学是一门力求阐明各种生态现象生理机制的实验科学。换言之,生态生理学 家或生理生态学家强调控制植物的生长、生殖、生存、丰度和地理地形分布等生态问题,因为 这些过程受到植物及其物理的、化学的和生物的环境之间互作的影响。这些生态生理学模式和 机制有助于人们理解植物的特定特性及其进化遗传的功能。 虽然生态生理学家强调的问题来自较高层次的学科(生态学,农艺学)综合,而生态生理 的解释往往要求在较低层次的学科综合(生理学、生物化学、生物物理学、分子生物学)上的 直观(机械)理解。因此,生态学必须既懂生态问题,又了解生物物理、生物化学和分子生物 学的原理与方法。生态生理学家直面的问题来自最广义的“生态”,包括来自农业、园艺、森林 和环境科学的一些问题。回答这样一些问题往往需要生态生理学的方法。 虽然生态生理学在其强调的生态问题上,与植物生理学泾渭分明,但在方法学上两者非常 相似。光合作用、同化物运输过程或植物激素代谢的一些特定环节,可以根据它们各自的特点 进行研究,也可以从生态生理的观点去讨论。从其本身的发展可以进行生态生理学研究(如深 入了解生态生理学),但它亦有众多的应用领域,往往与农业、环境问题和自然保护有关,并由 此得益。因此,现代生态生理学家需要很好地掌握植物生命活动的分子理论,也要知道植物整 体在环境中的功能。 2 生态生理学的根基 前已述及,植物生态生理学旨在阐明植物生存、分布、丰度及其与其它生物互作的机理。 为什么物种生长在特定的场所?植物如何应答特定的环境而成功地生存?为什么植物在另一些 环境下不能生存?这些问题最初是描述植物分布的地理学家提出来的。他们观察到不同的环境 有其相关联的植物形态分布,因而认为,形态差异对于解释植物的分布是非常重要的。因此, 懂气象的地理学家能预测某地占优势地位的植物类型。例如,许多沙漠植物的叶片小而厚,这 样在炎热的环境中减少受热和过热的危险,而遮荫植物的叶片往往大而薄,使受光达到最大。 这些形态观察可为研究不同物理环境下植物的生理特性提供动力。 虽然生态生理学家最初关注的是对非生物环境的生理反应(如钙质土与酸性土;干旱和淹 水),但从生理生态学的研究中,对植物与植物之间、植物与动物及微生物之间的生理互作有了 较好的了解。由此可见,生态生理学是每一个生态学家学术成长的必要因素。 促进生态生理学发展的另一个动力来自农业与生理学。时至今日,即使是工业化国家,由 于干旱、土壤贫瘠和其它环境胁迫,农业生产仅实现其最大潜力的 25%左右。农业研究的主要 目标一直是培育环境不敏感型作物,使之能抵御不良天气,或能在不适环境种植。正是由于这 一原因,农艺学家和生理学家一直在研究植物对环境胁迫的反应和抗性的机制。一些植物可在 极端贫瘠、干旱或盐碱环境中生长,这激发了生理学家的好奇心:植物在这些逆境下生存的机 制是什么? 生态生理学研究植物对环境的生理反应。作为生态学和生理学之间一个尚未开拓的界面, 生态生理学发展迅速。生态学提出了问题,而生理学提供了明确机制的工具。测定植物微环境、 水分关系以及碳交换模式等技术,已成为生态生理学研究中的常用工具。随着时间的推移,这 些研究越来越深入地从植物整体到生化和分子水平上解析了生理适应性的机制。例如,植物生 长最初是从植物生物量的变化上着手研究的。测定叶片气体交换的便携式设备的开发成功,使 生态学家能够测定单张叶片碳获得与损失的速率。生长分析可以对根和叶片的碳和养分分配以 及各个组织的生产和死亡速率进行分析。这些过程有助于更全面地了解不同环境下植物生长的 差异。对植物水分关系和矿质营养的研究,可深入阐明碳交换和组织转换的控制机理。最近, 在不同环境下光合作用和呼吸作用的生化基础方面,特别是在光合和呼吸关键蛋白质差异的分 子基础方面,取得了不少研究进展。这种生态生理学的主体研究,成功地揭示了植物生长与环 境之间的关系。 3 生理生态学和生物的分布 虽然陆地植物有 270000 种之多,但经过一系列的淘汰作用,在特定地区绝大部分种被消除, 仅留下其中很小的一部分(图 1-1)。在一个特定的植物群落中,有许多种在历史上就不曾有过, 能在不同的地区演化,从未在研究的区域出现过。例如,南美热带高山和非洲热带高山虽然环 境条件相似,但相同的植物种很少;而俄罗斯东部和阿拉斯加的植物种组成非常接近,这是因 为2 万至 10万年前更新世冰川降低海平面时,物种通过连接两地的大陆架发生了大迁移的结果。 进入异地的植物种,其中不少

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