昼夜与生物行为教学课件

昼夜与生物行为第一章昼夜节律简介什么是昼夜节律？生物体内约小时的周期受光照变化驱动生物钟调控的节律24昼夜节律是指生物体内部的生理和行为变太阳光是最主要的外部线索，称为同步因化，周期大约为小时，与地球自转周期子光照的变化帮助生物体调整内部时钟，24相同这种节律在几乎所有生物中都存在，使其与环境变化保持同步，影响睡眠、觅从单细胞生物到复杂的哺乳动物食和活动等行为地球自转与昼夜交替地球围绕自转轴旋转一周需要约小时，这一现象造成了昼夜交替在地球表面的生物已经经过了数百万年的进化，使其生理和行为节律与这种周期24性变化相适应生物钟的核心机制视交叉上核主时钟位于下丘脑的视交叉上核（）是哺乳动物体内的主时钟中枢，含有SCN约个神经元这些细胞即使在体外培养条件下也能保持同步振20,000荡光照与褪黑素光线通过视网膜的特殊感光神经节细胞被感知，这些细胞含有特殊的感光色素视紫红质信号传递到后，调控松果体的褪黑素分泌——SCN褪黑素的作用褪黑素在夜间分泌增加，在白天分泌减少，帮助调节睡眠觉醒周期它-是连接光照环境与生物行为的关键分子视交叉上核在大脑中的位置基因调控昼夜节律昼夜节律的分子机制基于一系列基因和蛋白质的表达与调控（）和（）基因产生的蛋白质随时间累积，当达到一定浓Period PerCryptochrome Cry度时，会抑制自身基因的表达，形成一个约小时的负反馈循环24环境光照通过影响这些基因的表达，可以重置生物钟这就是为什么我们能够适应时差和季节变化的原因科学家通过研究这些基因，在年获得2017了诺贝尔生理学或医学奖第二章昼行性动物白天活动的生物及其适应特征昼行性动物定义白天活动的生物昼行性动物（）是指主要在白天活动，夜晚休息的动物这Diurnal Animals类动物利用阳光提供的充足光线，进行觅食、交配、筑巢等重要生存活动适应策略昼行性动物依赖光线寻找食物，识别潜在配偶，并有效避开天敌它们的生物钟调节身体机能，使其在白天保持最佳状态，夜间则降低代谢率，进入休息状态这种行为模式与太阳能量利用直接相关，使得这些动物能够高效利用植物光合作用产生的能量，形成完整的食物链典型昼行性动物举例松鼠蝴蝶蓝山雀鸭子利用良好的视力寻找坚果和种子，需要阳光为冷血体温加热，并识别视觉发达的小型鸟类，白天捕食昆在白天的水域中觅食，利用良好的并依靠白天的光线辨别熟透的果实花朵颜色寻找花蜜虫和采集种子视力寻找水生植物和小型水生生物人类也是典型的昼行性动物，我们的视觉系统和生理节律都进化为适应白天活动、夜晚休息的模式昼行性动物的适应特征视觉系统发达紫外线防护体温调节昼行性动物通常拥有高度发达的色觉系统，长期暴露在阳光下，昼行性动物进化出保护昼行性动物需要应对白天较高的温度哺乳能够区分微妙的色彩差异人类和许多灵长机制例如，许多动物的眼睛有特殊色素过动物通过出汗、喘息散热；爬行动物如蜥蜴类动物拥有三色视觉，可以识别数百万种不滤紫外线；皮肤或毛发含有黑色素防止紫外则采取晒太阳升温和躲避阴凉降温的行为调同的颜色，这有助于识别成熟的水果和避开线伤害；某些动物如蜥蜴能够调节体表色素节体温；鸟类通过张开翅膀、加速呼吸等方有毒植物细胞，改变体色适应环境式散热阳光下的生命活力在阳光充足的日间，森林中的生态系统展现出惊人的活力松鼠敏捷地在树枝间穿梭，搜寻坚果和种子；色彩斑斓的蝴蝶在花丛中翩翩起舞，采集花蜜并传播花粉这些昼行性动物依靠发达的视觉系统，能够精确识别食物来源、潜在配偶以及可能的危险阳光不仅提供了视觉所需的光线，也为许多冷血动物提供了活动所需的热量昼行性动物的活动高峰通常出现在早晨和傍晚，中午高温时段则可能减少活动这种精确的时间安排最大限度地提高了能量获取效率，同时降低了过热的风险第三章夜行性动物在黑暗中活动的生物及其特殊适应夜行性动物定义夜间活跃的生物夜行性动物（）是指主要在夜间活动，白天休息或Nocturnal Animals隐藏的动物这些动物的生物钟调整为夜间觅食、交配和其他重要活动，白天则进入休眠或低活动状态生存策略夜行性是一种重要的生态适应策略，使动物能够利用特定的生态位，避开昼行性捕食者，减少与其他物种的资源竞争这种行为模式在进化过程中多次独立出现，表明其作为生存策略的重要性夜间活动的动物常有发光的眼睛，这是由于它们的视网膜后有一层称为视网膜后层（）的反光组织tapetum lucidum典型夜行性动物举例蝙蝠狐狸世界上大多数蝙蝠种类都是夜行性的，利用回声定位在完全黑暗许多狐狸物种在黄昏和夜间活动，利用敏锐的嗅觉和听觉寻找小中导航和捕食飞行昆虫一只蝙蝠一晚可以捕食数千只蚊子，对型哺乳动物、鸟类和昆虫它们的耳朵能够捕捉到小型啮齿动物生态系统平衡至关重要发出的微弱声音刺猬猫头鹰夜间觅食者，主要捕食蜗牛、昆虫和小型无脊椎动物其刺状防作为夜间捕食者，拥有特殊的羽毛结构使飞行几乎无声，超强的御系统使其在夜间相对安全地觅食，白天则在安全的巢穴中休息夜视能力，以及能够定位猎物精确位置的不对称耳朵结构沙漠耳廓狐是极端夜行性动物的代表，白天完全避开沙漠高温，超大的耳朵不仅用于散热，还能探测地下几厘米深处猎物的微小动静夜行性动物的生存优势高昼间风险回避避开高温与日间捕食者竞争压力减少能量与温控效率低竞争压力占据特殊生态位能量保存与体温调节特殊生态位优势夜行性行为模式为动物提供了多方面的生存优势首先，夜间活动可以有效避开白天的高温环境，对生活在热带和沙漠地区的动物尤为重要其次，夜间捕食者数量相对较少，降低了被捕食的风险夜行性动物的感官适应听觉增强视觉适应听觉在黑暗环境中变得尤为重要猫头鹰的两只耳朵高度不对称，能夜行性动物的眼睛通常较大，如猫头鹰和狐猴，可以捕捉更多微弱光够更精确地定位声音来源沙漠耳廓狐的巨大耳朵不仅用于散热，还线它们的视网膜中含有大量感光能力强的杆状细胞，但色觉通常较能听到地下几厘米深处小型啮齿动物的活动声蛾子的听觉系统高度弱许多夜行性动物的眼睛后方有一层称为视网膜后反光层的结构，敏感，能够探测到蝙蝠发出的超声波，及时采取规避行动能够反射穿过视网膜的光线，增强夜视能力特殊感知系统嗅觉发达蝙蝠利用回声定位技术发出超声波并分析回波，创建周围环境的声音许多夜行性哺乳动物拥有极其敏锐的嗅觉狐狸能够嗅出数百米外的地图，能在完全黑暗中精确捕捉飞行昆虫某些夜行性蛇类如蝮蛇拥猎物气味；负鼠依靠嗅觉在夜间寻找腐肉、果实和其他食物；鼩鼱的有热感应器官，能探测猎物体温与环境温度的微小差异，即使在漆黑嗅觉灵敏度是人类的十万倍，能够在完全黑暗中精确导航和寻找食物中也能精确打击夜间的声音猎手在黑暗的夜空中，蝙蝠展示了自然界最精妙的导航系统之一它们发出人耳无法听到的高频超声波，这些声波碰到障碍物或猎物后反弹回来，被蝙蝠巨大而灵敏的耳朵捕捉通过分析回声的时间差、频率变化和强度，蝙蝠能够构建周围环境的精确声音地图，判断物体的大小、形状、距离、速度甚至材质这一过程称为回声定位（），是蝙蝠在漆黑夜晚准确捕捉飞行昆虫的关键echolocation某些蝙蝠物种的回声定位系统如此精密，能够在满是障碍物的环境中高速飞行而不碰撞，甚至能够区分不同昆虫种类的翅膀振动频率，选择性捕食第四章昼夜行为的生态意义时间生态位分化及其对生态系统的影响昼夜分工减少竞争适应与威胁视觉与颜色识别夜视与回声定位资源竞争与生态影响共享栖息地与食物昼行性动物夜行性动物适应环境温度变化夜行性对抗极端温度的策略在炎热的沙漠和热带地区，夜行性行为是许多动物应对高温的关键策略沙漠耳廓狐白天躲在凉爽的地下洞穴中，夜间温度下降后才出来活动这不仅避免了中暑风险，还显著减少了水分损失季节性活动模式调整许多动物会根据季节变化调整其活动时间例如，某些沙漠蜥蜴在冬季转为昼行性，而在炎热夏季则变为清晨和黄昏活动；高山土拨鼠在寒冷冬季进入冬眠，而在温暖季节则在白天活动能量节约通过在适宜温度下活动，动物可以减少体温调节所需的能量消耗，将更多能量用于觅食、繁殖和生长这在食物稀缺的环境中尤为重要沙漠耳廓狐的巨大耳朵有助于散热，是对极端环境的适应生物行为与环境光照的关系光照强度影响日照时长变化月相周期影响不同物种对光照强度的敏感性不同蝙蝠和猫头鹰在极低光照下活动，而某些鸟类则需要特定的昼夜长短的季节性变化是许多重要生物行为的触发因素鸟类迁徙、昆虫变态、植物开花和哺乳月光强度影响许多海洋和陆地生物的行为珊瑚的集体产卵精确同步于特定月相；某些夜行性动光照强度才会开始鸣叫和觅食光污染对夜行性动物尤其有害，扰乱了它们的自然行为模式动物繁殖等都受光周期变化调控科学家称这种现象为光周期性（photoperiodism）物在满月夜减少活动以避免被捕食；潮间带生物的活动与月球引起的潮汐周期密切相关第五章人类的昼夜节律现代生活如何影响我们的生物钟人类是典型昼行性动物进化适应日间活动人类在进化过程中发展为典型的昼行性物种我们的视觉系统高度发达，特别是色觉能力，这在采集果实和识别有毒植物时非常有利相比之下，我们的夜视能力、嗅觉和听觉都不如许多夜行性动物敏锐人类生物钟的运作我们体内的主要生物钟位于视交叉上核（），通过褪黑素的分泌调节睡眠觉醒周期在没有外SCN-部时间线索的情况下，人类的内在生物钟周期约为小时，稍长于地球自转周期，需要通过光照等

24.2环境线索每天进行调整人体内皮质醇和褪黑素的昼夜变化规律我们的身体温度、血压、激素分泌和认知功能都表现出明显的昼夜波动人体温度通常在下午达到最高，凌晨点达到最低；警觉性在上午点左右达到高峰，下午点和凌晨2-4102-3点则最低2-4生物钟紊乱的影响代谢问题睡眠障碍生物钟调节多种代谢过程，包括葡萄糖代谢、脂肪存储和饥饿信号研究表明，长期生物钟紊乱会导致入睡困难、睡眠质量下降和日间嗜睡夜班工作者经常轮班工作者和长期时差问题患者患型糖尿病、肥胖和代谢综合征的风险增加2报告睡眠质量差，即使在有充足睡眠时间的情况下也感到疲劳这是因为在生这部分是因为褪黑素和皮质醇等激素分泌的异常，这些激素影响胰岛素敏感性物钟的夜间阶段强行保持清醒，而在日间阶段尝试睡眠违背了身体的自然和食欲调节节律精神健康问题心血管影响生物钟与情绪调节密切相关昼夜节律紊乱与抑郁症、焦虑障碍和双相情感障生物钟紊乱与高血压、心律不齐和心脏病发作风险增加相关正常情况下，血碍等多种精神健康问题有关季节性情感障碍（）是最明显的例子，患者SAD压和心率在夜间下降，这种夜间下降现象对心血管健康至关重要轮班工作在日照时间减少的冬季经历抑郁症状光照疗法通过重置生物钟而有效者往往缺乏这种正常波动，导致长期心血管压力增加世界卫生组织已将轮班工作列为潜在致癌因素，研究表明轮班工作者患某些癌症的风险增加，特别是与激素相关的癌症如乳腺癌这可能与褪黑素分泌减少有关，褪黑素具有抗氧化和抗癌特性如果人类是夜行性？视觉适应听觉增强嗅觉发达体温调节如果人类进化为夜行性生物，我们的感官和生理系统将发生显著变化我们的眼睛可能更大，以捕捉更多光线；视网膜中的杆状细胞（负责低光照视觉）会大量增加，而色觉可能退化；视网膜后可能发展出反光层，类似猫眼在黑暗中的闪光效果听觉和嗅觉系统会变得更加敏锐，成为主要的环境感知方式耳朵可能变大，耳廓更加灵活，能够更精确地捕捉声音方向某些夜行性灵长类如慢猴已经进化出极其敏锐的嗅觉，用于在黑暗中定位食物和识别同类最令人着迷的可能是发展出某种形式的回声定位能力，类似海豚和蝙蝠事实上，一些盲人已经展示了通过舌击或手掌拍击产生声波来感知环境的能力，证明人类大脑具有这方面的潜力人类昼夜活动对比分钟小时15%90320%夜班工作者睡眠周期时差恢复夜猫子人群全球约的劳动力从事某种形式人类睡眠由多个约分钟的周期组通常情况下，人体生物钟每天只能大约的人天生是夜猫子类型，15%9020%的夜班工作，包括医疗服务、运输、成，每个周期包括浅睡眠、深睡眠调整约小时，这就是为什么跨偏好晚睡晚起；而约的人是早1-215%制造业等行业，这些工作者面临生和快速眼动睡眠阶段，不同阶段对越多个时区的旅行后需要数天才能鸟类型，自然倾向于早睡早起，这物钟紊乱的风险身体和大脑恢复具有不同作用完全适应新时区些差异部分由基因决定数字时代的挑战现代生活，特别是人工照明和电子设备的广泛使用，对我们的生物钟带来了前所未有的挑战蓝光屏幕抑制褪黑素分泌，导致入睡困难；小时运作24的社会使我们越来越不遵循自然的昼夜节律这些因素可能是现代社会睡眠障碍和相关健康问题增加的部分原因第六章教学互动与思考深入探索昼夜节律的课堂活动和实验课堂互动题动物分类讨论夜行性行为的进化优势现代生活与生物钟请思考并列举更多的昼行性和夜行性动物例思考并讨论分组讨论子考虑为什么许多小型哺乳动物选择夜间活动？智能手机和电子设备如何影响我们的睡••为什么熊猫是昼夜都活动的动物？眠质量？•北极和南极地区的动物如何适应极昼和恐龙时代的哺乳动物主要是夜行性的，你认为远程工作的灵活时间对人们的生•••极夜？这与它们的生存有何关系？物钟有何影响？哪些水生动物表现出明显的昼夜行为差在不同生态系统中，夜行性行为带来的如何设计对生物钟更友好的学校和工作•••异？优势有何不同？时间表？思考题如果你可以暂时获得一种夜行性动物的感官能力（超强夜视、回声定位、热感应等），你会选择哪一种，为什么？这种能力会如何改变你感知世界的方式？实验建议动物活动观察个人生物钟研究光照实验在家附近或公园设置观察点，记录不同时段（清晨、中午、傍晚、夜晚）看到的不同动物种类和数量使记录一周内自己的睡眠-觉醒时间、精力水平、饥饿感和学习效率分析自己的生物高峰期和低谷期，思设计实验研究不同光照条件对植物或小动物的影响例如，将相同的植物分别放在24小时光照、正常昼用表格记录观察结果，分析动物活动高峰期高年级学生可以使用红外相机在夜间记录通常看不到的夜行考如何调整学习和活动安排以配合自己的生物节律比较假期和学校日的差异，讨论社会时间与生物时间夜循环和24小时黑暗环境中，观察生长差异；或观察鱼缸中的鱼在正常光照和持续光照下的行为变化性动物活动的冲突讨论结果并联系生物钟概念结语理解昼夜节律，尊重自然规律生命的内在节奏人类健康与和谐昼夜节律不仅是生物对外部环境的被动反应，更是生命长期进现代社会的运作模式正在挑战我们的生物本性重新认24/7化形成的内在节奏这种精妙的生物钟机制使生物能够预测环识和尊重体内的生物钟，调整生活方式与自然节律相协调，对境变化，在合适的时间执行合适的行为，提高生存和繁殖的成于预防慢性疾病、提高生活质量和维持身心健康具有重要意义功率生态系统的平衡昼夜活动的时间分配使得更多物种能够共享有限的资源，提高了生态系统的承载力和生物多样性保护自然栖息地不仅要考虑空间维度，还要尊重生物活动的时间维度，减少光污染对夜行性生物的干扰大自然要求我们尊重它的节奏我们愈是想摆脱它的限制，就愈是感到受到它的羁绊法国生物学家让罗斯坦（）—·Jean Rostand通过学习昼夜节律与生物行为，我们不仅增进了对自然界的科学理解，也获得了关于如何与自然和谐共处的智慧让我们带着这份知识，更加尊重地球上每个生命的时间韵律，共同守护这个昼夜交替的美丽星球。