第十二章 生物多样性研究进展 电子教案.docx

1、第十二章 生物多样性研究进展 电子教案植物科学研究专题之十二生物多样性研究进展教学目的要求：了解生物多样性现状、生物多样性研究进展。教学重点：生物多样性现状、生物多样性研究进展。教学难点：生物多样性研究进展。教学时数：2学时教学方式：多媒体，讲授。教学过程：一、生物多样性概述20世纪后叶生命科学各领域取得了巨大的进展，特别是分子生物学的突破性成就，使生命科学在自然科学中的位置起了革命性的变化，很多科学家认为在未来的自然科学中生物科学将成为带头学科，甚至预言本世纪是生物学的世纪。从事生命科学研究的专业人员也越来越多，例如，在美国近年统计48万博士学位获得者中从事生命科学的占51。在生物诸多的分支

2、中，保护生物多样性是当前生物科学最紧迫的任务之一，也是全球生物学界共同关心的焦点问题之一。据可靠的数据说明每天约有100多种生物在地球上绝灭，很多生物在没有被人类认识以前就消亡了，这对人类无疑是一种悲哀和灾难。保护生物多样性的行动势在必行、迫在眉睫。生物多样性（Biodiversity）是近年来国内外最为流行的一个词汇。由于自然资源的合理利用和生态环境的保护是人类实现可持续发展的基础，因此生物多样性的研究和保护已经成为世界各国普遍重视的一个问题。现在无论是联合国还是世界各国政府每年都投入大量的人力和资金开展生物多样性的研究与保护工作，一些非政府组织也积极支持和参与全球性的生物多样性的保护工作。

3、 （一）生物多样性的意义1、 自然资源与生物资源自然资源是指自然界中人类可以直接获得并用于生产或生活中的各种物质的总和。自然资源一般是指天然存在的自然物。自然界的任何部分，包括土壤、水、森林、草原、矿物、野生动植物等物质，凡是人们可以用于改善自己生产或生活状况的，均属于自然资源。1972年联合国环境规划署将自然资源定义为“在一定的时间条件下，能够产生经济价值、提高人类当前和未来福利的自然环境因素的总称。随着生产力水平的发展和人类社会的进步，自然资源的范围将不断扩大。例如，过去被认为属于外在因素的空气、自然风景等，现在已经属于自然资源的范畴。自然资源的比较确切的定义为：在现有的生产力发展水平和研

4、究情况下，为了满足人类的生产和生活需要而被利用的自然物质和能量（金鉴明等，1991）。地球上的自然资源一般包括以下几种类型：1. 气候资源：包括空气、热量、光线、风、降水等。2. 水资源：包括地上水（江、河、湖、海）与地下水两部分。3. 矿物资源：金、银、铜、铁等各种金属矿物，各类石，及各种可做建筑的岩石。4. 能源：包括太阳能、煤、石油、天然气、核能等。5. 生物资源：生物资源是自然资源的一个重要组成部分。是有生命的自然资源。包括动物、植物、菌物和微生物。2、 生物多样性的价值生物资源也就是生物多样性，有的生物已被人们作为资源所利用，另有更多生物，人们尚未知其利用价值是一种潜在的生物资源。生

5、物多样性的价值往往不被人们所重视，一般人们利用生物资源时，没有经过市场流通而直接被消费，只是取而用之而已。生物多样性具有很高的开发利用价值，在世界各国的经济活动中，生物多样性的开发与利用均占有十分重要的地位。生物多样性的价值主要体现在以下几个方面：（1）直接价值（direct value）：也叫使用价值或商品价值。是人们直接收获和使用生物资源所形成的价值。包括消费使用价值和生产使用价值两个方面。消费使用价值：指不经过市场流通而直接消费的一些自然产品的价值。生物资源对于居住在出产这些生物资源地区的人们来说是十分重要的。人们从自然界中获得薪柴、蔬菜、水果、肉类、毛皮、医药、建筑材料等生活必需品。尤

6、其在一些经济不发达地区，利用生物资源是人们维持生计的主要方式。生产使用价值：指商业上收获时，用于市场上进行流通和销售的产品的价值。（生物资源的产品一经开发，往往会具有比其自身高出许多的价值，常见的生物资源产品包括：木材、鱼类、动物的毛皮、麝香、鹿茸、药用动植物、蜂蜜、橡胶、树脂、水果、染料等）。（2）间接价值：生物资源的间接价值是与生态系统功能有关，它并不表现在国家的核算体制上，但它们的价值可能大大超过直接价值。而且直接价值常常源于间接价值，因为收获的动植物物种必须有它们的生存环境，它们是生态系统的组成成分。没有消费和生产使用价值的物种可能在生态系统中起着重要作用，并供养那些有使用和消费价值的

7、物种（陈灵芝，1994）。生物多样性的间接价值包括: 非消费性使用价值：保护生物资源可以为人类社会带来日益增长的利益，这种效益因地域和物种的不同而各不相同。选择价值：保护野生动植物资源，以尽可能多的基因，可以为农作物或家禽，家畜的育种提供更多的可供选择的机会。存在价值：有些物种，尽管其本身的直接价值很有限，但它的存在能为该地区人民带来某种荣誉感或心理上的满足。科学价值：有些动植物物种在生物演化历史上处于十分重要的地位，对其开展研究有助于搞清生物演化的过程。如一些孑遗物种（银杏）。3、 生物多样性的重要意义（1） 生物多样性是人类社会赖以生存和发展的基础。我们的衣、食、住、行及物质文化生活的许多

8、方面都与生物多样性的维持密切相关。 首先，生物多样性为我们提供了食物、纤维、木材、药材和多种工业原料。我们的食物全部来源于自然界，维持生物多样性，我们的食物品种会不断丰富。人民的生活质量会不断提高，从温饱型向小康型转变。 生物多样性还在保持土壤肥力、保证水质以及调节气候等方面发挥了重要作用。黄河流域曾是我们中华民族的摇篮，在几千年以前，那里还是一片十分富饶的土地。 树木林立，百花芬芳，各种野生动物四处出没。 生物多样性在大气层成分、地球表面温度、地表沉积层氧化还原电位以及pH值等方面的调控方面发挥着重要作用。例如，现在地球大气层中的氧气含量为21%，供给我们自由呼吸，这主要应归功于植物的光合作

9、用。在地球早期的历史中，大气中氧气的含量要低很多。据科学家估计，假如断绝了植物的光合作用，那么大气层中的氧气，将会由于氧化反应在数千年内消耗殆尽。 生物多样性的维持，将有益于一些珍稀濒危物种的保存。我们都知道，任何一个物种一旦灭绝，便永远不可能再生。今天仍生存在我们地球上的物种，尤其是那些处于灭绝边缘的濒危物种，一旦消失了，那么人类将永远丧失这些宝贵的生物资源。而保护生物多样性，特别是保护濒危物种，对于人类后代，对科学事业都具有重大的战略意义。 野生生物资源的意义具体表现在:1 野生生物遗传资源对现代农业的贡献野生生物的抗性（抗病性、抗旱性等）比栽培种强得多，把遗传缘种抗性基因引入驯化或栽培种

10、，能大幅提农业生产力水平。2 野生传粉动物对作物的贡献：我国700多万群家养蜜蜂和近万种野生蜜蜂是虫媒植物繁衍后代的“红娘”，尤其对多种农作物，果树、牧草、蔬菜和很多其它经济植物的产量和质量提高立下了汗马功劳。3 利用生物多样性防治病虫害：生物多样性丰富的地区，一般不易发生灾难性病虫害。原因是：生态系统中食物网各营养级上的生物都是相互制约的，任何一物种都不可能无限增长，故处于平衡状态。人类活动，使食物网受破坏，病虫害不时大发生，带来巨大经济损失和生态灾难。4 在医疗卫生方面的价值：世界卫生组织统计表明：发展中国家有80的人靠传统药物治疗疾病，发达国家有40以上的药物源于自然资源，中国有记载的药

11、用植物达5,000多种。5 在工业上的贡献：工业的原材料：木材、纤维、橡胶、造纸原料、天然淀粉、油脂等；能源: 原油、煤、天然气。二、生物多样性现状（重点介绍我国的生物多样性状况） 世界生物多样性状况：从动物到真菌，世界上的物种种类纷繁复杂，目前科学家还不能确切指出地球上到底有多少个物种。据估计全世界物种数量多达一亿种而迄今只有约一百八十万种被命名，我们人类也只不过是这万千物种中的沧海一粟。我们通过下表对世界物种概况进行了解。世界生物种类概况项目类群描述物种的数目合计动物脊椎动物哺乳动物鸟类爬行动物两栖动物鱼类484299328134557828100950007000040000无脊动物昆虫

12、类软体动物甲壳类其他植物双子叶植物单子叶植物裸子植物蕨类苔藓类藻类59300980130251500030000真菌（包括地衣细菌）真菌地衣细菌45000100004000550004000总计 *田兴军主编：生物多样性及保护生物学 我国的生物多样性状况（选自2010年中国生物多样性发展及保护研究报告）中国是生物多样性特别丰富的国家之一。据统计，中国的生物多样性居世界第八位，北半球第一位。同时，中国又是生物多样性受到最严重威胁的国家之一。中国的原始森林长期受到乱砍滥伐、毁林开荒等人为活动的影响，其面积以每年0.5104km2的速度减少；草原由于超载过牧、毁草开荒的影响，退化面积达87104km

13、2。生态系统的大面积破坏和退化，不仅表现在总面积的减少，更为严重的是其结构和功能的降低或丧失使生存其中的许多物种已变成濒危种或受威胁种。高等植物中有4000种-5000种受到威胁，占总种数的15-20。在濒危野生动植物种国际贸易公约列出的640个世界性濒危物种中，中国就占156种，形势是十分严峻的。中国是近年来经济发展速度最快的国家之一，在很大程度上加剧了人口对环境特别是生物多样性的压力。如果不立即采取有效措施遏制这种恶化的态势，中国的可持续发展是不可能实现的，甚至会威胁到世界的发展与安全。我国积极参与全球性生物多样性保护行动，早在1992年就参加了在巴西召开的联合国环境与发展大会，并在生物多

14、样性公约（以下简称公约）上签字。继而，中国政府批准了这个公约，并履行承诺的义务；成立了国家履行公约工作组，协调我国的履约工作；分别于1994年和1997年完成了中国生物多样性保护行动计划和中国生物多样性国情报告，并正式发布。同时，加强物种保护和自然保护的法规建设，并陆续启动了天然林保护工程等有关生物多样性保护的工程。三、生物多样性研究进展3.1 生物多样性与生态系统功能关系研究生态系统功能即是生态系统整体在其内部和外部的联系中表现出的作用和能力。随着能量和物质等的不断交流，生态系统亦产生不断变化和动态的过程。生物多样性的根本功能是提供生态系统服务（包括生态服务和生态产品），而生态系统服务是人类

15、社会生存和发展的基本生命支持条件，但由95 个国家1300多名科学家历时4 a 完成的千年生态系统评估报告（李延梅等，2009） 却显示，在评估的24个生态系统中，有15 个生态系统正在退化或者处于不可持续利用状态。生物多样性变化对生态系统功能具有很大的影响，并且可能对人类社会所依赖的生态系统的产品和服务产生十分重要的直接影响。这就迫切需要人们进一步研究生物多样性变化对生态系统产品和服务产生的影响。因此，生物多样性变化与生态系统服务的研究已成为生物多样性科学研究的重点内容（李延梅等，2009）。3.2 生物多样性和生态系统服务服务功能及其价值评估生态系统服务价值是指人类直接或间接从生态系统得到

16、的利益，主要包括向经济社会系统输入有用物质和能量、接受和转化来自经济社会系统的废弃物，以及直接向人类社会成员提供服务（如人们普遍享用洁净空气、水等舒适性资源）。生物多样性在基因、物种、生态系统等层次形成了不同层次不同价值类型之间复杂多样的组合。通过对生物多样性的经济价值的评估，可以确定生物多样性的保护利用系统，还可为受害生态系统中生物多样性恢复与改建和生态规划提供依据，并且为生物资源的管理和持续利用提供参考。但生态服务价值的评估起步较晚，仅有20 a 30 a 的历史（李延梅等，2009）。尤其是20 世纪90 年代后期，随Daily主编的自然的服务-社会对自然生态系统的依赖（Daily GC

17、，1997） 以及Constanza 等的文章世界生态系统服务与自然资本的价值（Costanza R， 1997的发表，将生态系统层次的服务价值评估研究被推向了高潮。但在DIVERSITAS 2004年发布的“生物可持续性（bioSUSTAINABILITY）”科学计划与实施战略和IUCN 2009年2012年的战略计划中都明确指出，目前的经济并不是普遍支持可持续的生态系统管理，人类在做生物资源开发与利用方式的选择与决策时，并没有考虑生物多样性的所有价值。bioSUSTAINABILITY 科学计划提出，保护和可持续利用生物多样性的社会选择和决策取向应进行全成本核算，即要考虑生物多样性和生态系

18、统服务的价值。IUCN 2009 年2012 年的战略计划也提出把生物多样性的价值纳入经济、贸易和投资政策及公司、行业协会的规划和消费者群体中。从研究范围看，对于生态系统服务价值评估的研究可划分为: 全球或区域生态系统服务的价值评估、流域生态系统服务价值的评估、单个生态系统服务价值的评估（张志强等，2001）。在现阶段，基于全球和国家尺度等大型尺度生态系统服务的价值评估研究占主导地位（赵军等，2007）。如何客观地评价不同类型生态系统所提供的产品和各种生态服务功能的经济价值，准确地测度不同类型生态系统的面积等，是目前急待解决的科学问题（马克平等， 2003）。随着相关学科和技术的发展以及自然科

19、学与社会科学的交叉，评价的准确程度会越来越高。3.3 生物多样性与气候变化生物多样性和气候变化之间的联系是双向的。一方面生物多样性受到气候变化的威胁，另一，方面生物多样性也会对气候变化产生影响。生物多样性在基因与物种水平的改变会导致生态系统的结构、功能的改变，及其与水、碳、氮等生物地球化学循环相互作用的改变，进而进一步影响到地区或全球的气候。据意大利帕维亚大学植物生态和植物保护实验室测算，从1950 年到现在，阿尔卑斯山脉的植物分布下限向高处退缩了24 m，气候变暖和当地大量建造基础设施，为外来植物入侵高山地区提供了便利; 阿尔卑斯山脉国际保护委员会最近警告，如情况得不到好转，45% 的特有植

20、物到2100 年有可能灭绝。美国奥林匹克国家公园内的乔木已经入侵山地草原造成其分布面积的减少; 追踪35 种非迁移性的欧洲蝴蝶，发现63%的蝴蝶分布范围向北移动了35km 240 km; 北太平洋的海水变暖正压缩红鲑的分布范围，迫使它们向白令海迁移。气候变暖造成了生物物候期的变化，这种变化正造成生态紊乱。全球范围内，大于80%物种的物候期每10 a 提前或延后了2. 3 d 5. 1 d，仲夏之前开花的物种物候期提前，仲夏之后开花的物种物候期延迟（祁如英等，2010）。研究气候变化对生物多样性的影响对保护生物多样性非常重要，政府间气候变化专门委员会和联合国气候变化框架公约在这方面已做了大量研究

21、。为了应对气候变化，许多国家和地区也已制定相关的研究计划和行动。澳大利亚在2004年制定了国家生物多样性和气候变化行动划（2004 2007），提出了更深入了解气候变化对生物多样性影响的一系列目标; 2007 年澳大利亚政府和科学界在召开“国家生物多样性和气候变化行动计划关键目标实施的研究需求与信息差距”科学研讨会的基础上，又发布了变化气候中的生物多样性保护研究报告。欧盟在2006 年制定了保护生物多样性的新战略，其中把研究生物多样性与气候变化作为优先行动领域之一。由于生物多样性和气候变化之间的作用也存在反馈机制，对气候变化如何影响生物多样性的了解还是有限的，还有待进一步深入研究。3.4 生物

22、多样性的保护近年来，物种灭绝的加剧，遗传多样性的减少，以及生态系统特别是森林的大面积破坏，引起了国际社会对生物多样性问题的极大关注，纷纷采取措施予以保护。然而，由于投入的人力和财力的限制以及政策等方面存在的问题，生物多样性丧失的态势并没有从根本上得到遏制。从保护的效率上考虑，保护行动应有明确的目标或重点的对象（地区或类群等）。自然保护国际（Conservation International）一直倡导的热点地区途径受到国际社会的重视。Myers（1988） 在分析热带雨林受威胁程度的基础上，提出了热点地区的概念，并于两年后主要根据维管束植物特征将其扩大到全球，提出了包括18 个热点地区的划分方

23、案。经过近10 a 的应用，在汲取相关的研究成果的基础上，修订了全球生物多样性热点地区的方案，主要根据物种特有程度和受威胁程度，其修订方案包括Tropical Andes、Mesoamerica、Caribbean 等共25 个热点地区（马克平，2003 ）。Kitching （Lauranee WF，2001）认为44%已知的植物多样性和35%非鱼类的脊椎动物只被保护在25 个分隔的热点地区，这是远远不够的。哈佛大学的wilson认为: 人们通常认为生物多样性的保护应由政府负责，但是要保护地球上70% 的物种需要投入280亿美元，而且物种多样性丰富的地区大多集中在热带贫困地区; 因此，私人投

24、资保护生物多样性也是一种应该采纳的途径。Smith（Smith TB， 2001） 认为：虽然划分多样性保护的热点地区，但是随着全球气候的变化，物种及其依赖的生境可能会转移，所以现在的生物多样性热点不一定是未来的热点。因此，保护一个种群在其特有的生境及一段变化的环境上是十分必要的。在保护实践中，还应借鉴其他相关的研究成果。例如大自然保护协会（TNC） 的Conservation by Design 是很好的途径。3.5 生物入侵与生物安全生物入侵是指某种生物从外地自然传入或人为引种后成为野生状态，并对本地生态系统造成一定危害的现象。这些生物被叫做外来物种。外来物种是指那些出现在其过去或现在的自

25、然分布范围及扩散潜力以外的物种、亚种或以下的分类单元，包括其所有可能存活、继而繁殖的部分、配子或繁殖体。外来入侵物种具有生态适应能力强，繁殖能力强，传播能力强等特点; 被入侵生态系统具有足够的可利用资源，缺乏自然控制机制，人类进入的频率高等特点。入侵种尤其是外来有害生物被引入异地后，由于其新生环境缺乏能制约其繁殖的自然天敌及其他制约因素，其种群会迅速繁殖，蔓延，大量扩张，形成优势种群，逐渐发展成为当地新的“优势种”，并与当地物种竞争有限的食物资源和空间资源，直接导致当地物种的退化，甚至被灭绝是生物多样性的劲敌。外来物种入侵，会对植物土壤的水分及其他营养成份，以及生物群落的结构稳定性及遗传多样性

26、等方面造成影响，从而破坏当地的生态平衡。如引自澳大利亚而入侵我国海南岛和雷州半岛许多林场的外来物种薇甘菊，由于这种植物能大量吸收土壤水分从而造成土壤极其干燥，对水土保持十分不利。此外，薇甘菊还能分泌化学物质抑制其他植物的生长，曾一度严重影响整个林场的生产与发展。外来物种还会因其可能携带的病原微生物而对其他生物的生存甚至对人类健康构成直接威胁。如起源于东亚的“荷兰榆树病”曾入侵欧洲，并于1910 年和1970 年两次引起大多数欧洲国家的榆树死亡。又如40 a 前传入我国的豚草，其花粉导致的“枯草热”会对人体健康造成极大的危害。每到花粉飘散的7月 9 月，体质过敏者便会发生哮喘，打喷嚏，流鼻涕等症

27、状，甚至由于导致其它并发症的产生而死亡。入侵生物学的主要科学问题包括: 什么样的物种更容易成为入侵种; 对某一个特定的入侵种来说，什么样的群落更容易被入侵; 入侵发生时，入侵种的扩散速度; 如何评价入侵者的生态学效应; 什么是控制入侵种的有效对策，而其中前两个问题尤其是讨论和争议的热点和核心（徐汝梅等，2003）。预测哪个物种可能成为入侵种是生态学家们长期的目标，但只是最近几年才使用定量方法来实现这个目标。尽管受到物种数量的限制，这些研究揭示出释放特性与相关物种之间，以及成功定居与入侵种扩散之间清楚的关系（Kolar C S， 2001）。目前，外来物种入侵作为全球性问题已经引起世界各国和国际

28、组织的广泛关注，国际自然资源保护联盟，国际海事组织（IMO） 等国际组织已制定了关于如何引进外来物种、如何预防、消除、控制外来物种入侵等各方面的指南等技术性文件。为防治外来物种入侵，目前已通过了40 多项国际公约、协议和指南，且有许多协议正在制定中。虽然许多公约在一定程度上还缺乏约束力，虽然各国在检疫标准的制定上还存在着一些差距和矛盾，但这些文件仍在一定范围内发挥着日益重要的作用，而国际海事组织、世界卫生组织、联合国粮农组织也正在更加积极致力于加强防治外来物种入侵的国际合作。3.6 生物多样性信息管理伴随者生物多样性信息管理而生的是生物多样性信息学，指利用信息技术，对生物有机体基础数据（pri

29、mary data） 的管理和算法的探究、分析和解释，尤其是在物种水平上的应用（Soberon J，etc，2004; Berendsohn WG，2007; Johnson NF，2007）。它涉及到对信息的收集、存储、提交、检索和分析，主要关注单个有机体、居群和分类群以及它们的相互关系，其内容覆盖了系统学、进化生物学、居群生物学、行为科学，以及从传粉生物学到寄生病学和植物群落学等领域。信息技术的发展给我们很多新的方法来共享生物多样性的基础知识。一些世界性的研究项目，比如网络生命大百科全书（EOL）、生物条形码协会（CBOL /BOL）、全球生物物种名录（COL）、生命之树（TOL）、全球生

30、物多样性网络（GBIF） 在数字化生物多样性信息基础方面已经建立了比较好的框架。这些项目在世界范围的广泛成功展示出信息化时代生物多样性信息采集、共享和利用的新蓝图，并且将对科学研究群体和社会有深远的影响。这些影响包括了新物种的发现、珍稀濒危物种保护策略的制定、新药用植物的研发、人类在复杂生命网络体系中的重要角色的认识等等。生物多样性信息学是一个快速生长的领域。它把信息科学和相关的技术带到了生物学领域，促进了基础生物多样性知识更广泛应用。我们将看到一个史无前例的，在全球范围通过广泛的合作实现对自然生物多样性的信息采集、调查与监测，自由获取生物在基因、有机体、物种、居群、生态过程、生态系统以及人类

31、在生物多样性系统中的作用等广泛的信息的局面。生物多样性信息学涉及到的内容宽广而复杂。从信息学角度，它覆盖了从基础数据的采集、存储、整合、管理、发布和分析等多个环节，还涉及到各种数据共享政策和标准的制定。从传统研究领域，它涉及到分类学、系统学、进化生物学、生态学、保护生物学和生物地理学等多个学科和研究领域。从基础数据的收集整理、辅助性研究工具支持、信息交换和共享到数据挖掘和知识发现等信息化研究等，也是生物多样性信息学研究最值得关注的几个方面。而生物多样性信息学研究是一个长期而艰巨的任务，还有许多未知问题值得我们去探究和解决。例如: 我们需要建立一种长期机制，保证从个人和公共数据库定期收集和更新数

32、据; 通过同行评议（peer review） 和自动校验方式来实现对数据质量的控制，建立对新增加信息的索引、链接和自动提交的处理流程，向用户提供不仅是数据浏览和查询，而且还包括深层次的数据操作和分析的界面等（王利松等，2010）。3.7 我国生物多样性研究进展自1989 年开始酝酿成立中国科学院生物多样性工作小组，并在1990 年中国科学院召开第一次生物多样性学术会议以来，先后通过“八五”重大科研项目生物多样性保护及持续利用的生物学基础、国家“八五”基础重大研究项目（“攀登”计划）:中国生物多样性保护生态学的基础研究、国家自然科学基金重大项目: 中国主要濒危植物的保护生物学研究、中国科学院“九五”重大科研项目: 人文因素对澜沧江流域生物多样性影响机制的研究、国家自然科学基金重大项目: 中国关键地区生物多样性保育的研究等重大项目，推动了