能量生态学(二):生物与其环境的热交换

上一讲我们曾提及,当前能量生态学的研究着重于把生物与能量的关系分两点来探讨。其一是把能量看作为生物环境的一个特性,一个重要的生态因子,主要指的是热能的传递与消散。研究得较广泛的是生物,特别是动物与其环境的热交换及其体温调节。也有人把这方面的研究单独分出来称为热生物学(ThermalBiology)或生物物理生态学(Biophysical Eco-logy)。其二是把能量视为维持与延续生命运动的必不可少的部分,主要是化学能的传递与转化,特别注重生物的获能对策,生物能量的分配模式等。有人把这类研究称之为生物能     

能量生态学(五):维持生命运动能量的组分及估算

本讲及下一讲将着重讨论能量在生态系统中除了热量变换之外的另一个问题,即能量作为维持与延续生命运动的必需成分。本讲的主要内容是化学能的组分及生物能量消耗的估算。主要以在动物上进行的研究结果为例。     

能量感受器AMPK在体调控T细胞代谢适应和功能发挥北大核心CSCD

初始 T 细胞会进行代谢重编码,进而满足分化为效应性 T 细胞后,所增加的对能量及生物合成的需要。但是营养物质的利用对 T 细胞代谢及功能的具体调控机制目前尚不清楚。本文作者证明了在营养物质利用改变的情况下,效应性 T 细胞代谢的变化。激活的 T 细胞具有葡萄糖敏感的代谢调定点,受能量感受器 AMPK 调控,通过调节 mRNA 翻译以及谷氨酰胺依赖的线粒体代谢维持 T 细胞生物能量合成和存活。T 细胞缺失 AMPKα1后,离体葡萄糖饥饿和在体病理状态下都表现出线粒体生物能量合成减少和 ATP 降低的现象。最后,作者证明 AMPKα1是 Th1和 Th17分化,以及在体初始 T 细胞对病原微生物反应所必须的。本文提示 AMPK 依赖的代谢平衡调控可能作为干预 T 细胞介导的适应性免疫的关键点。     

对生态系统中能量流动的几个问题的分析

能量的单向流动教师在讲述生态系统中能量的流动时,都要强调:能量的流动是单向的;物质的流动是循环的,属于生物地球化学循环.我认为,能量的单向流动应从以下几个方面理解. (一)能量在生态系统中沿食物链与食物网流动的过程中,很大一部分因生物的呼吸转化成热能散失掉了,根据热力学第二定律:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.(见热学教科书)它只能向自由能(在生态系统中就是贮藏在有机物中的化学能)减少的方向进行而不能逆转. (二)能量是伴随着食物沿食物链与食物     

介绍一本美国高中生物教材(续)——Biology-Living system

第一部分生命的特征第一章生命的共同特征生物群落 1:1 形形色色的生物 1:2 食物 1:3 能量1:4 食物的产生与能量的转换[调查1]生物体释放CO_2吗? 能量的利用 1:5 生长和发育 1:6 内环境稳定的维持和修复 1:7 生殖 1:8 机体组成生物和环境 1:9适应 1:10 生物与环境的关系第二章生物科学科学研究的方法     

腺苷酸激酶与AMP信号在感知及维持机体能量中的作用

腺苷酸激酶（AK）是催化各种腺嘌呤核苷酸相互转化的一种磷酸转移酶,其在维持细胞能量平衡中起着重要的作用。AK有七种亚型,在线粒体、胞浆、细胞核之间的能量转移和分布中起着至关重要的作用。细胞内、细胞外和血液中的AMP水平是机体能量感知、睡眠、冬眠和食物摄取的代谢信号。高于或低于正常水平的AMP信号与人类疾病相关。AK及其下游的AMP信号组成了一个完整的代谢监测系统,通过检测细胞能量状态变化,从而调整对代谢感受器传递的信号。详细阐述了AK和AMP在感知及维持机体能量中的作用。     

食虫迁徙鸟白腹蓝[姬]鹟的能量代谢

生物与其环境之间最主要的连续性在于能量交换及能量传递。由于鸟类在动物界的特殊地位,对环境污染的敏感指示,以及与人们生活的密切关系,因而对鸟类能量及能流的研究一直受到重视。例如King(1961,1974)用物质平衡方法,把鸟类能量消耗划分基本维持生存能,运动活动能及生长繁殖能。 研究生命过程中的能量消耗及相互联系,可采用直接测热法与间接测热法。直接测热法是直接测量动物在一定时间放散到周围环境中的全部热量,但由于仪器装置庞大,操作复杂,误差较大等原因,故很少应用。目前广泛使用的是间接测热法,即测定动物的气体代谢,最常用的是测定动物的耗氧量,然后可根据耗氧量换算热量单位。     

物种多样性地理格局的能量假说

物种多样性地理分布格局及其成因是生物地理学和宏观生态学研究的核心问题之一。为了解释物种多样性的分布格局, 人们提出了多种假说, 其中讨论最多的是能量假说。该假说认为, 物种多样性的变化受能量控制。根据能量的不同形式及其对物种多样性的影响机制, 能量假说包括以下几种形式: 生产力假说(productivity hypothesis)、水分—能量动态假说(water–energy dynamic hypothesis)、环境能量假说(ambient energy hypothesis)、寒冷忍耐假说(freezing tolerance hypothesis)以及生态学代谢假说(metabolic theory of ecology, MTE)。本文系统介绍了每种能量假说的含义、所使用的能量形式及表征变量, 以及对物种多样性的影响机制, 并对不同形式的能量假说进行了比较, 在此基础上, 分析了每种能量假说的优点和缺点以及各自面临的问题。     

能量感受器 AMPK 在体调控 T 细胞代谢适应和功能发挥

初始T细胞会进行代谢重编码,进而满足分化为效应性T细胞后,所增加的对能量及生物合成的需要。但是营养物质的利用对T细胞代谢及功能的具体调控机制目前尚不清楚。本文作者证明了在营养物质利用改变的情况下,效应性T细胞代谢的变化。激活的T细胞具有葡萄糖敏感的代谢调定点,受能量感受器AMPK调控,通过调节mRNA翻译以及谷氨酰胺依赖的线粒体代谢维持T细胞生物能量合成和存活。T细胞缺失AMPKα1后,离体葡萄糖饥饿和在体病理状态下都表现出线粒体生物能量合成减少和ATP降低的现象。     

活细胞的呼吸作用和能量转化

一.生物的能源生物体——无论是人或者是单细胞的原生动物——要生存就必须下断地补充能量。细胞的生长和分裂过程、新陈代谢过程中的物貭转移和细胞结构的经常更新,生物体需要的各种化合物的合成等等,都需要能量。没有能量的消耗,动物的任何器官便不能工作。不仅肌肉和心脏工作需要能量,而且控制器官(神经系统)和排泄器官(肾脏)的活动同样需要能量;能量对于维持温血动物正常体温也是必需的。一个成年人一昼     

能量生态学(三):生物热环境的综合表示法

前一讲生物与其环境热交换各种途径的知识,为分析生物与其热环境的关系提供了必要的基础,也提出了这样的问题:这些生物物理学上复杂的项目是否可综合而简化,使实际测量产生可靠的结果?本文将简略介绍一些在生物(特别是动物)及其环境间热量相互作用上某些简化指标的研究。这些指标包括“气候范围图”及“有效作用温度”等。所有这些,都把辐射、对流(有时也包括蒸发和传导)的效果包括在一个简单的图解或热量指标值中。     

生物能量转换的演化

殷宏章先生对生物演化的研究很感兴趣,1957年就曾代表我国参加在莫斯科举行的第一次国际“生命起源”会议,并发表了文章。回国后对会议情况作了介绍。他对我们所从事的生物能量转换工作给予支持,并鼓励我们从生物演化角度去认识研究结果,很受启发。生物能量转换是生物体重要的生理活动,它的     

细胞中的“闹市”

人体处于休息状态时,细胞中的分子也在进行激烈的热运动。这种热运动使得分子可以移动位置,也提供化学键破裂所需要的能量。细胞中的许多化学反应,包括遗传物质(DNA)和蛋白质的合成,都需要消耗反应物分子以极高频率与反应中心碰撞所携带的能量。细胞中分子的这种激烈运动,是人体的生理活动得以正常进行、生命得以维持的必要条件。地表的温度,包括绝大多数的生物的体温,最终主要依靠太阳的热辐射来维持。     

机体胆汁酸肠-肝轴的研究进展

机体肠道与肝脏间的交互作用形成肠-肝轴,后者的紊乱是肝脏疾病发生的重要原因,而良好的肠道稳态和肝脏的保护对维持机体内环境的稳定起着重要作用。胆汁酸(胆盐)作为肠-肝轴循环中的重要组成成分,不仅参与了机体营养物质的消化代谢,还作为一种信号分子和代谢调节因子,能够激活核受体和G蛋白偶联受体(GPCR)信号通路参与调节肝脏脂质、葡萄糖和能量平衡,维持机体代谢平衡。本文将结合近年来有关胆汁酸的研究进展,从胆汁酸的来源、在肠-肝轴中的循环以及胆汁酸在机体中的作用等方面进行综述,以加深对肠-肝轴重要性的理解。     

内蒙古温带荒漠草原能量平衡特征及其驱动因子

基于内蒙古苏尼特左旗温带荒漠草原生态系统观测站2008年全年的涡度相关观测与相应的生物、环境观测资料,对生态系统能量平衡特征及其驱动因子分析表明:能量平衡各分量(净辐射,Rn;感热通量,H;潜热通量,LE;土壤热通量,G)呈单峰型日动态,白天大部分时间H/RnG/RnLE/Rn;夜间G/Rn占主导;全天LE/Rn相对较小,即使在植物生长盛期。较低的LE/Rn可能与荒漠草原气候干旱及植被分布稀少有关。日Rn受天气变化的影响,特别是在雨季,Rn日间差异较大,呈现锯齿状波动。能量平衡各分量季节变化明显,Rn、H、LE和G最大月分别为7、5、6月份和6月份。全年H是Rn的主要能量支出项(58%);LE其次(26%),年蒸散量(190.3mm)大于年降水量(136.3mm),与多年平均降水量接近(183.9mm),其中最大日蒸散率3.8mm/d;G所占比例较小(1%),全年基本保持平衡。然而G白天吸收能量,夜间释放能量;夏季储存能量,冬季释放能量的特点,在能量平衡中存在类似"能量缓存"的作用,不能被忽略。降水过程显著影响内蒙古温带荒漠草原水热交换。降水后较降水前LE峰值明显增大,而H峰值降低。日蒸散率峰值多数与降水事件有关。而且,生长季日蒸散率波动与降水引起的SWC变化趋势一致。生长季潜热分配(LE/Rn)主要受到土壤含水量(SWC)、饱和水汽压差(VPD)及叶面积指数(LAI)共同影响。LE/Rn随SWC增大呈增加趋势,LE/Rn随VPD增大而降低,LE/Rn随LAI增大呈二次曲线变化。其中LAI为0.2m2/m2是一个阈值,当LAI0.2m2/m2,SWC是LE/Rn主要驱动因子;当LAI0.2m2/m2,SWC和LAI共同驱动LE/Rn。应用退耦因子(Ω)评价了荒漠草原与大气之间水汽交换的耦合状况。与其他草原类型相比,本研究区退耦因子(Ω)相对较低(生长季平均0.15)。生长盛期Ω相对较高,Rn是LE的主导因子;而生长前期和后期Ω相对较低,VPD是LE的主要控制因子。     

M1毒蕈碱乙酰胆碱受体同源建模模板的选取及验证

目的:探讨不同同源模板所获得M1毒蕈碱乙酰胆碱受体模型的合理性及可靠性。方法:以牛视紫红素受体、人源β2-肾上腺素受体、M2胆碱受体和M3胆碱受体为模板,分别对M1胆碱受体进行同源建模;采用分子对接获得各M1胆碱受体同源模板与配体的互作模式,并与已报道的M胆碱受体晶体结构进行静态比对,得到最佳M1胆碱受体同源模板;采用分子动力学模拟分析配体与关键残基距离的变化,对M1胆碱受体同源模板进行动态验证。结果:M2胆碱受体与M1胆碱受体的序列相似度较高,为67.9%;以Inactive M2胆碱受体为模板构建的M1胆碱受体(M1R_(inactive-M2R))与其他晶体结构间RMSD值的均值最低,为1.39;M1R_(inactive-M2R)别构位点K392及E397残基侧链与结合口袋距离更近,与配体结合构象更匹配;分子对接结果显示,双位点别构激动剂VU0184670与M1R_(inactive-M2R)别构结合位点Y85、Y381的距离分别为4.8、6.8,优于其他模型;分子动力学模拟后,配体与Q177残基的距离由7.4降至2.9,提示配体VU0184670向Q177方向偏转,与文献结果一致。结论:以Inactive M2受体结构为模板构建的M1胆碱受体模型最为合理,更接近M1胆碱受体的晶体结构。本研究为M1胆碱受体药物开发提供重要工具,为其他GPCRs受体同源建模提供创新范式。     

Semaphorin 3——下丘脑黑皮质素回路形成关键因子

下丘脑是机体代谢与能量平衡调控的重要神经中枢。下丘脑“黑皮质素”(melanocortin)神经环路参与能量稳态调节:该环路,由下丘脑弓状核POMC神经元、AgRP神经元、室旁核MC4R阳性神经元及三者间的神经投射共同构成。     

衰老对AhR 及其血管生成相关因子表达的影响

目的:探讨芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor,Ah R)在过氧化氢(H_2O_2)诱导的人脐静脉内皮细胞(HUVECs)衰老模型中表达的变化情况及其对血管生成相关因子表达的影响。方法:采用不同浓度的H_2O_2(100μM,200μM,300μM)处理HUVECs诱导内皮细胞衰老,通过β-半乳糖苷酶染色观察细胞衰老情况,Western blot检测HUVECs中Ah R蛋白以及血管生成相关因子低氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)蛋白表达,ELISA检测细胞培养上清液中血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)表达的变化。结果:与对照组相比,经过不同浓度H_2O_2处理后,HUVECs均出现细胞衰老表现,Ah R蛋白表达显著增加,HIF-1α以及VEGF蛋白表达明显减少,且均呈现出剂量依赖性,以300μM H_2O_2处理组最为显著。结论:在过氧化氢诱导衰老的人脐静脉内皮细胞中Ah R蛋白表达明显增加,HIF-1α和VEGF等促血管生成因子明显减少。     

热储通量对黄土高原北部柠条林地地表能量平衡的影响

地表能量平衡问题一直是陆面过程研究中的重点和难点问题。以2014年8—10月和2015年4—6月黄土高原北部水蚀风蚀交错带柠条林地涡度相关通量观测数据为依据,分析柠条林地热储通量变化特征,在此基础上分析热储通量对能量闭合度的影响。结果表明,柠条林地各热储通量均表现出明显的季节和日变化规律。在能量平衡方程中,考虑热储通量项后能显著提高柠条林地能量闭合度,平均提高幅度为11.91%。其中,土壤表层热储通量对能量闭合度的贡献最大,占总热储通量的95.63%;光合作用热储通量和大气感热存储通量占总热储通量的比例不足5%,光合热储通量略高于大气感热存储通量;而大气潜热存储通量则降低了能量闭合度,平均降低幅度为0.06%。因此,在分析黄土高原柠条林地能量平衡中热储通量项是不可忽略的。影响柠条林地各热储通量的因素主要有太阳辐射、大气温度、土壤温度和水分。植被生长状况是影响柠条林地热储通量各分量项季节和日变化的重要因素,并对能量闭合度产生影响。     

青藏高原三江源区人工草地能量平衡的变化特征

为揭示建植人工草地对青藏高原三江源区能量平衡的影响,利用涡度相关和微气象系统的观测数据定量分析了该区域人工草地能量收支及其各分量的变化特征。结果表明:太阳总辐射(R_s)和净辐射(R_n)的日最高值分别为33.6和19.1 MJ m~(-2)d~(-1),年累计值分别为6789.4和2773.3 MJ/m~2;全年R_n与R_s的比值(R_n/R_s)为0.41,但生长季的R_n/R_s(0.54)明显高于年均值;显热(H)与潜热(LE)通量呈明显的季节变化,H最低值出现在12月,之后随R_s的增强而增加,但进入生长季后呈下降趋势,7月中旬出现次低值;而LE在冬季维持较低值,3月以后迅速增加,最高值出现在生长旺季的7月。在能量分配上,可利用能量主要消耗于LE和H,年均LE/R_n,H/R_n,G/R_n分别为0.46,0.45和-0.13。但能量分配的季节变化差异明显,波文比(β=H/LE)在冬季、春季、夏季和秋季的平均值分别为3.33、0.68、0.42和1.29。受植被叶面积指数(LAI)等生物因素以及土壤含水量(SWC)、饱和水汽压差(VPD)等环境因素的共同影响,冠层导度(g_c)和解耦系数(Ω)的年最大值均出现在夏季,其平均值分别为16.22mm/s和0.70,表明在植被生长盛期LE仍受R_n的控制,其它季节Ω均值低于0.5,说明LE更多的是受VPD调控。本研究说明,虽然三江源区接收的太阳总辐射较强,但R_n/R_s相对较低,生态系统能量平衡中各分项的变化主要受植被、土壤含水量以及净辐射的控制,在退化草地恢复过程中,由于建植人工草地增加了植被覆盖度,进而改变了能量收支过程及能量平衡各分项。