สรีรวิทยาระบบนิเวศ

สรีรวิทยาระบบนิเวศ (; มาจากภาษากรีก οἶκος, oikos,"บ้าน"; φύσις, physis,"ธรรมชาติ กำเนิด" และ λογία, logia ความรู้) หรือ สรีรวิทยาสิ่งแวดล้อม เป็นหัวข้อทางวิทยาศาสตร์ชีวภาพซึ่งจากการศึกษาการปรับตัวทางสรีรวิทยาของสิ่งมีชีวิตกับสภาวะของสิ่งแวดล้อม มีความเกี่ยวข้องกับสรีรวิทยาวิวัฒนาการและสรีรวิทยาเปรียบเทียบ

สรีรวิทยาระบบนิเวศของพืชเป็นวิทยาศาสตร์เชิงทดลองที่พยายามอธิบายกลไกทางสรีรวิทยาพื้นฐานภายใต้ขอบเขตของการสังเกตภายในระบบนิเวศ นักวิทยาศาสตร์ทางด้านสรีรวิทยาระบบนิเวศจะตอบคำถามเกี่ยวกับการควบคุมการเจริญเติบโต การสืบพันธุ์ การอยู่รอด ความอุดมสมบูรณ์และการกระจายทางภูมิศาสตร์ของพืชในฐานะที่กระบวนการเหล่านี้ได้รับผลจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชกับสภาวะแวดล้อมทางกายภาพ ชีวภาพ และสารเคมี รูปแบบทางสรีรวิทยาระบบนิเวศเหล่านี้ ช่วยให้เราเข้าใจความสำคัญและหน้าที่ของลักษณะเฉพาะของพืชและวิวัฒนาการ คำถามทางสรีรวิทยาระบบนิเวศจะได้มาจากการบูรณาการในระดับสูง เช่น "ระบบนิเวศ"ในความหมายที่กว้างที่สุดซึ่งรวมถึงเกษตรกรรม พืชสวน การป่าไม้ และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตามคำอธิบายของสรีรวิทยาระบบนิเวศมักต้องการความเข้าใจกลไกในระดับล่างของการบูรณาการ (สรีรวิทยา ชีวเคมี ชีวฟิสิกส์ ชีววิทยาโมเลกุล) นอกจากนี้ปัญหาสังคมจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับการเกษตร การเปลี่ยนแปลงด้านสิ่งแวดล้อมหรือการอนุรักษ์ธรรมชาติจะได้รับประโยชน์จากมุมมองของสรีรวิทยาระบบนิเวศ สรีรวิทยาระบบนิเวศสมัยใหม่จึงต้องมีความเข้าใจที่ดีทั้งทางด้านกลไกระดับโมเลกุลและกระบวนการทำงานของพืชทั้งต้นในบริบทของสิ่งแวดล้อม

ในหลายกรณีสัตว์สามารถที่จะหลบหนีสภาพแวดล้อมต่างๆที่เปลี่ยนแปลงหรือไม่เหมาะสม เช่นความร้อน ภัยแล้ง ความหนาวเย็นหรือน้ำท่วมในขณะที่พืชไม่สามารถที่จะเคลื่อนย้ายออกไปดังนั้นจึงต้องอดทนต่อสภาพแวดล้อมไม่พึงประสงค์หรือหายนภัย พืชจึงมียีนที่ช่วยในการปรับตัวเข้ากับการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อม สิ่งนี้เป็นสมมติฐานที่ยีนจำนวนมากมีความจำเป็นต่อพืชเพื่อปรับให้เข้ากับสภาวะที่เปลี่ยนแปลงไปได้ในระดับกว้าง

เพื่อตอบสนองต่ออุณหภูมิที่สุดขั้ว พืชสามารถผลิตโปรตีนหลายชนิดที่ปกป้องตัวเองจากผลกระทบของการเกิดน้ำแข็งและลดลงของการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่อุณหภูมิต่ำและ การเพิ่มการเสียสภาพของเอนไซม์และการหายใจแสง (photorespiration) ที่อุณหภูมิสูง ขณะที่อุณหภูมิลดลง การผลิตโปรตีนแอนติฟรีซและดีไฮดรินเพิ่มขึ้น ขณะที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นพืชจะผลิตโปรตีน heat shock พืชยังสามารถปรับรูปร่างเพื่อให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในระยะยาว ตัวอย่างเช่นเพื่อป้องกันการเกิดน้ำแข็ง พืชจะสร้างผนังเซลล์ที่หนาและแข็งแรง (โดยเพิ่ม lignification) เพื่อให้น้ำแข็งที่เกิดขึ้นค้างอยู่ในระหว่างเซลล์ (ใน apoplast) และไม่ได้อยู่ในเซลล์ (ในไซโทพลาซึม) เยื่อหุ้มเซลล์ยังได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและอาจทำให้เยื้อหุ้มเกิดการสูญเสียสภาพการเป็นของเหลวและกลายเป็นเจลในสภาพเย็นหรือรั่วในสภาพอากาศร้อน สิ่งนี้จะมีผลต่อการเคลื่อนไหวของสารผ่านเยื่อหุ้ม พืชป้องกันสถานการณืนี้โดยเพิ่มกรดไขมันไม่อิ่มตัวในองค์ประกอบของเยื่อหุ้มในสภาพอากาศหนาวเย็นมากขึ้น ส่วนในสภาพอากาศร้อนจะเพิ่มกรดไขมันอิ่มตัวเข้าไปในเยื่อหุ้ม

ลมแรงอาจมีผลต่อพืชโดยการถอนรากถอนโคนหรือทำลายใบ ตัวอย่างของการปรับตัวของพืชเพื่อป้องกันความเสียหายจากลม เช่น สร้างใบที่มี คิวติเคิลหนาและระบบรากขนาดใหญ่ เหตุผลหนึ่งที่ต้นไม้ผลัดใบในฤดูใบไม้ร่วงคือการลดพื้นที่ผิวและทำให้มีโอกาสสัมผัสกับลมน้อยลง
การมีน้ำมากเกินไปหรือน้อยเกินไปสามารถทำลายพืชได้ ถ้ามีน้ำน้อยเกินไปเนื้อเยื่อจะคายน้ำและพืชอาจจะตาย ถ้าดินนั้นถูกน้ำท่วมขัง ดินจะขาดอากาศ สามารถฆ่ารากได้ หากเนื้อเยื่อสูญเสียน้ำมาก พืชจะสร้างกรดแอบไซซิก เพื่อปิดปากใบปิด ลดการสูญเสียน้ำและยังช่วยกระตุ้นการเจริญเติบโตของรากเพื่อเพิ่มปริมาณน้ำ ข้าวโพดและข้าวสามารถผลิตแอเรนไคมา ซึ่งเป็นช่องกลวงในเนื้อเยื่อทำให้อากาศเข้าได้

ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ ในบรรยากาศจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการตัดไม้ทำลายป่าและการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล พืชใช้คาร์บอนไดออกไซด์ เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์ด้วยแสงเคยคิดว่าอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงเพิ่มขึ้นเมื่อความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้น และนำไปสู่การเจริญเติบโตเพิ่มขึ้น การศึกษาการใช้เพิ่มความเข้มข้นในสภาวะไม่มีอากาศ พบว่าผลผลิตพืชเพิ่มขึ้นเพียง 8%. การศึกษาชิ้นงานใน ตัวอย่างพืชแห้งได้แสดงให้เห็นว่าจำนวนของปากใบบนใบลดลงในช่วง 150 ปีที่ผ่านมาซึ่งมีความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้น ปากใบทำให้คาร์บอนไดออกไซด์เข้าสู่ใบ แต่จะปล่อยน้ำออกในเวลาเดียวกัน พืชจึงต้องเพิ่มความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ โดยมีปากใบน้อยลง ระดับของไนโตรเจนลดลงเมื่อพืชปลูกที่ที่มีคาร์บอนไดออกไซด์ สูง เนื่องจากพืชต้องการ rubisco น้อยกว่าในการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนเท่าเดิม ระดับของจุลธาตุอื่น ๆ ลดลงเช่นกันซึ่งอาจมีผลในด้านโภชนาการของมนุษย์ในอนาคต

George A. Bartholomew (1919-2006) เป็นผู้ก่อตั้งสรีรวิทยาระบบนิเวศของสัตว์ เขาทำหน้าที่ในคณะที่ UCLA จากปี 1947 - 1989 Knut Schmidt - Nielsen (1915-2007) ยังเป็นผู้ให้ข้อมูลสำคัญในวิทยาศาสตร์สาขานี้รวมทั้งสรีรวิทยาเปรียบเทียบ

Hermann Rahn (1912-1990) เป็นผู้นำระดับเริ่มแรกในด้านสรีรวิทยาสิ่งแวดล้อม สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกสาขาสัตววิทยาจากมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ (1933) Rahn เริ่มสอนสรีรวิทยาที่มหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ในปี 1941 เขาร่วมมือกับ Wallace O. Fenn เผยแพร่ผลงานเรื่องการวิเคราะห์ทางภาพของการแลกเปลี่ยนก๊าซในระบบทางเดินหายใจในปี 1955 บทความนี้รวมแผนภาพของ O-CO และเป็นพื้นฐานของงานในอนาคตของ Rahn งานวิจัยของ Rahn นำแผนภาพที่ได้นี้ไปพัฒนาการแพทย์ด้านการบินและความก้าวหน้าในการหายใจที่ระดับความสูง Rahn เข้าร่วมงานกับ University at Buffalo ในปี 1956 และได้เป็นหัวหน้าภาควิชาสรีรวิทยาซึ่งเขาได้พัฒนาศูนย์การวิจัยระดับนานาชาติในด้านสรีรวิทยาสิ่งแวดล้อม