生命多樣性進化實用教案

1、1 物種形成物種形成(Speciation)的模式的模式 非分支進化：非分支進化： 一個種群由于適應了變化中的環(huán)境一個種群由于適應了變化中的環(huán)境(hunjng)而改變，甚至變成新物種而改變，甚至變成新物種 分支進化：分支進化： 一個物種由于適應環(huán)境一個物種由于適應環(huán)境(hunjng)而分支出一個或多個新物種，而原物而分支出一個或多個新物種，而原物種繼續(xù)存在。生命進化史的主要模式，種繼續(xù)存在。生命進化史的主要模式，產(chǎn)生生物多樣性產(chǎn)生生物多樣性 非分支(fnzh)型進化分支(fnzh)型進化概述：宏進化和生物多樣性概述：宏進化和生物多樣性第1頁/共30頁第一頁，共30頁。2 什么是物種什么是物種

2、物種物種(species)(species)：19271927年，年，Ernst Mayr,Ernst Mayr,天然種群天然種群(zhn qn)(zhn qn)中可以相互交中可以相互交配的集群而且與其他集群有生殖隔離。配的集群而且與其他集群有生殖隔離。 此概念以有性生殖為前提，不能用于所有的情況此概念以有性生殖為前提，不能用于所有的情況物種物種(wzhng)起源起源同一同一(tngy)人種人種不同種不同種第2頁/共30頁第二頁，共30頁。3 物種間的生殖屏障物種間的生殖屏障 合子前屏障合子前屏障(pre-zygotic barrier)(pre-zygotic barrier)：妨礙種間交配

3、或在：妨礙種間交配或在種間交配時阻止受精種間交配時阻止受精 合子后屏障合子后屏障(post-zygotic barrier)(post-zygotic barrier)：種間交配形成雜：種間交配形成雜交合資后發(fā)生交合資后發(fā)生(fshng)(fshng)雜種不活或雜種不育雜種不活或雜種不育物種物種(wzhng)起源起源合子(hz)前屏障合子后屏障雜種無生活力；雜種合子不能發(fā)育或不能達到成年雜種不育；雜種不能產(chǎn)生有生殖能力的配子配子隔離：雌雄配子不能再受精中結(jié)合機械隔離：生殖器官或花在結(jié)構(gòu)上的差異阻止交配或傳粉行為隔離：雌雄之間無性吸引棲息地隔離：種群生活在不同棲息地，不能相會時間隔離：交配或開花

4、發(fā)生在不同的季節(jié)或依田種不同的時間第3頁/共30頁第三頁，共30頁。4 物種形成的機制：某一群體的基因庫由于某些原因（如，遺傳漂變）從其同物種物種形成的機制：某一群體的基因庫由于某些原因（如，遺傳漂變）從其同物種基因庫中切離出來，造成來自其他種群的基因流障礙（生殖隔離），在自然選擇基因庫中切離出來，造成來自其他種群的基因流障礙（生殖隔離），在自然選擇的作用下，這個群體可沿著自己的路線進化，形成新的物種。的作用下，這個群體可沿著自己的路線進化，形成新的物種。 異域物種形成：其基因流的根本障礙是地理隔離。幾個地理過程可將一個種群分異域物種形成：其基因流的根本障礙是地理隔離。幾個地理過程可將一個種群

5、分成兩個或更多獨立的種群。成兩個或更多獨立的種群。 當一個種群既小又被隔離時，異域物種形成的可能性增加當一個種群既小又被隔離時，異域物種形成的可能性增加(zngji)(zngji)，因為更，因為更容易發(fā)生基因庫的改變?nèi)菀装l(fā)生基因庫的改變 隔離種群和親本種群發(fā)生生殖隔離進化隔離種群和親本種群發(fā)生生殖隔離進化 異域種群分離與物種移動能力的強弱相關(guān)。異域種群分離與物種移動能力的強弱相關(guān)。哈里斯羚羊(ln yn)松鼠 白尾羚羊(ln yn)松鼠 物種起源物種起源科羅拉多大峽谷科羅拉多大峽谷 第4頁/共30頁第四頁，共30頁。5 同域物種形成：不經(jīng)過地理隔離，在同一區(qū)域形成新種。動物界少見，涵蓋同域物種

6、形成：不經(jīng)過地理隔離，在同一區(qū)域形成新種。動物界少見，涵蓋25%的植物物種。的植物物種。 德德.弗理斯弗理斯de Vries 荷蘭荷蘭 物種形成的突變學說物種形成的突變學說(1903) 雜交以及多倍體物種的產(chǎn)生。此新物種與親本雜交產(chǎn)生雜合子不育。大多數(shù)多倍雜交以及多倍體物種的產(chǎn)生。此新物種與親本雜交產(chǎn)生雜合子不育。大多數(shù)多倍體起源于兩個種的雜交。燕麥、馬鈴薯、香蕉、花生、大麥、李子、蘋果、甘蔗、體起源于兩個種的雜交。燕麥、馬鈴薯、香蕉、花生、大麥、李子、蘋果、甘蔗、咖啡和小麥。現(xiàn)代的小麥，是咖啡和小麥?，F(xiàn)代的小麥，是20多個多個(du )物種雜交的結(jié)果物種雜交的結(jié)果物種物種(wzhng)起源起

7、源第5頁/共30頁第五頁，共30頁。6六套染色體組四套染色體組栽培(zipi)一粒小麥（14條染色體）二粒小麥(xiomi)（28條染色體）面包(minbo)小麥（42條染色體野生小麥（14條染色體）野生小麥（14條染色體）不育雜種（21條染色體）第6頁/共30頁第六頁，共30頁。7 物種形成的節(jié)奏物種形成的節(jié)奏 漸進模式（漸進模式（Gradualist model）發(fā)生于漫長時間內(nèi)的許多小變化的積累到一定）發(fā)生于漫長時間內(nèi)的許多小變化的積累到一定程度，產(chǎn)生新物種程度，產(chǎn)生新物種 點斷平衡模式（點斷平衡模式（Punctuated equilibrium model）物種以相當迅速的變化爆）物種

8、以相當迅速的變化爆發(fā)式地變成不同的物種，而不是緩慢發(fā)式地變成不同的物種，而不是緩慢(hunmn)地變成不同物種。地變成不同物種。 化石記錄中，新物種出現(xiàn)比較突然，難以找到逐漸過渡的化石證據(jù)。化石記錄中，新物種出現(xiàn)比較突然，難以找到逐漸過渡的化石證據(jù)。 同域物種形成可以很快發(fā)生同域物種形成可以很快發(fā)生 異域物種形成也可以在幾百代到幾千代中發(fā)生。在形成的數(shù)千年內(nèi)，物種的變化異域物種形成也可以在幾百代到幾千代中發(fā)生。在形成的數(shù)千年內(nèi)，物種的變化已經(jīng)逐漸積累，而一個成功物種平均要存在幾百萬年。已經(jīng)逐漸積累，而一個成功物種平均要存在幾百萬年。 物種形成后會繼續(xù)變化，但是變化多為非解剖學上的物種形成后會繼

9、續(xù)變化，但是變化多為非解剖學上的物種物種(wzhng)起源起源第7頁/共30頁第七頁，共30頁。8 舊結(jié)構(gòu)對新功能的適應舊結(jié)構(gòu)對新功能的適應 鳥的翅膀鳥的翅膀 人類的大腦人類的大腦 生物體大多數(shù)結(jié)構(gòu)都有進化生物體大多數(shù)結(jié)構(gòu)都有進化(jnhu)的可塑性，即有執(zhí)行不同功能的潛能；的可塑性，即有執(zhí)行不同功能的潛能； 聯(lián)適應聯(lián)適應(exaptation, 即即 preadaptation)：某一結(jié)構(gòu)在某種環(huán)境中進化：某一結(jié)構(gòu)在某種環(huán)境中進化(jnhu)卻又變得適應于其他功能。如進化卻又變得適應于其他功能。如進化(jnhu)中鳥類蜂窩狀的骨骼很輕，中鳥類蜂窩狀的骨骼很輕，適應了未來的飛行適應了未來的飛行

10、 聯(lián)適應是通過一系列中間的階段逐漸生成新結(jié)構(gòu)的一種機制，每種結(jié)構(gòu)在其進化聯(lián)適應是通過一系列中間的階段逐漸生成新結(jié)構(gòu)的一種機制，每種結(jié)構(gòu)在其進化(jnhu)的每一階段的環(huán)境中都有某種功能的每一階段的環(huán)境中都有某種功能 生物革新進化生物革新進化(jnhu)，正是：自然選擇引起的許多小變化積累起來便成為大的，正是：自然選擇引起的許多小變化積累起來便成為大的變化變化生物革新生物革新(gxn)的進化的進化第8頁/共30頁第八頁，共30頁。9 發(fā)育和進化革新發(fā)育和進化革新 漸變的進化改造可能蘊含著種群眾大量的遺傳變化漸變的進化改造可能蘊含著種群眾大量的遺傳變化 較少的遺傳變化可以較少的遺傳變化可以(ky)

11、(ky)導致主要結(jié)構(gòu)的改變導致主要結(jié)構(gòu)的改變 編碼發(fā)育的基因在一個生物從合子到成體的變化過程中控制著變化的速率、編碼發(fā)育的基因在一個生物從合子到成體的變化過程中控制著變化的速率、時間及空間模式時間及空間模式 美西螈美西螈 存在幼體發(fā)育存在幼體發(fā)育(paedomorphosis)(paedomorphosis)：成體中保留有幼體的結(jié)構(gòu)：成體中保留有幼體的結(jié)構(gòu)生物生物(shngw)革新的進化革新的進化幼體(yut)發(fā)育在人類進化中也至關(guān)重要。人類與黑猩猩幼體(yut)時頭骨相似，但因為人類器官生長在發(fā)育過程中終止較晚，所以大腦比黑猩猩多生長幾年，可視為幼體(yut)發(fā)育過程的延伸黑猩猩胎兒人胎兒黑

12、猩猩成體人成體第9頁/共30頁第九頁，共30頁。10 地質(zhì)年代與化石地質(zhì)年代與化石(hush)記錄記錄 判斷化石判斷化石(hush)年齡，常用年齡，常用 放射分析年代測定法放射分析年代測定法(radiometric dating)。誤差不到誤差不到1%。 14C，是半衰期約為，是半衰期約為5600年的放射性同位素。生物死后，停止從環(huán)境中攝取年的放射性同位素。生物死后，停止從環(huán)境中攝取碳元素，而體內(nèi)的碳元素，而體內(nèi)的14C因衰變而逐漸減少，由此可判斷化石因衰變而逐漸減少，由此可判斷化石(hush)中生物中生物的年代。的年代。 14C在生物體中含量極低，半衰期相對較短，只能用于判定少于在生物體中含

13、量極低，半衰期相對較短，只能用于判定少于5萬年的化石萬年的化石(hush)的年代。的年代。 判定年代更久的化石判定年代更久的化石(hush)，要用半衰期更長的放射性同位素。如。鈾，要用半衰期更長的放射性同位素。如。鈾-鉛鉛地球的歷史地球的歷史(lsh)和宏進化和宏進化第10頁/共30頁第十頁，共30頁。11地球的歷史和宏進化地球的歷史和宏進化 地質(zhì)年代與化石地質(zhì)年代與化石(hush)記錄記錄a.砂巖中挖掘(wju)恐龍化石b.150萬年前的直立人頭骨(tug)化石c.1.9億年的石化的樹d.沉積巖中4000萬年前的葉子，仍保留著DNAe.埋藏的生物體腐爛后留下的模子f.痕跡化石是古生物腳印等遺

14、跡g.3000萬年的蝎子被包在琥珀里h. 從冰川中發(fā)現(xiàn)的2萬3千年前猛犸象的牙，第11頁/共30頁第十一頁，共30頁。12前寒武紀古生代中生代新生代第四紀第三紀白堊紀侏羅紀三疊紀二疊紀石炭紀泥盆紀志留紀寒武紀奧陶紀代紀世年代(nindi)（百萬年前）生命史中的某些(mu xi)重要事件0.011.85233557651452082452903634094395105706107001700250035004600全新(qun xn)世更新世 上新世中新世漸新世始新世古新世歷史時期冰期，人類出現(xiàn)人的猿類祖先出現(xiàn)哺乳動物和被子植物繼續(xù)輻射包括猿在內(nèi)的許多靈長類起源被子植物的優(yōu)勢明顯；多數(shù)哺乳類目的

15、起源哺乳類、鳥類、傳粉昆蟲的主要輻射有花植物的出現(xiàn)；包括恐龍譜系在內(nèi)的許多生物在紀末滅絕（白堊紀滅絕）裸子植物繼續(xù)為優(yōu)勢植物；恐龍占優(yōu)勢裸子植物為優(yōu)勢植物；恐龍、早期哺乳類和鳥類輻射許多海生和陸生生物滅絕（二疊紀滅絕）爬行類輻射；類似哺乳動物的爬行類以及大多數(shù)現(xiàn)代昆蟲目的出現(xiàn)大規(guī)模的維管植物森林；第一批種子植物；兩棲類占優(yōu)勢硬骨魚類多種多樣；第一批兩棲類和昆蟲無頜魚類多樣化；維管植物和節(jié)肢動物上陸植物起源；海生藻類豐富多種軟體無脊椎動物，多種藻類最古老的動物化石最古老的真核生物化石已知的最古老的化石（原核生物）地球起源的大致時間氧開始在大氣中出現(xiàn)地質(zhì)年代表地質(zhì)年代表(geologic time

16、 scale)大多數(shù)現(xiàn)代動物門的出現(xiàn) (寒武紀大爆發(fā)) 每代相對時間跨度第12頁/共30頁第十二頁，共30頁。13地球地球(dqi)的歷史和宏進化的歷史和宏進化2900km5100km6378km地幔(dmn)外核地殼(dqio) 大陸漂移和宏進化大陸漂移和宏進化古生代末期(2.5億年前)，板塊運動使所有大陸集聚，被稱為“泛大陸泛大陸”(Pangaea)；許多生物滅絕（二疊紀滅絕），幸存者分支進化而多樣化海平面降低，沿海淺水排走，大部分淺海生物受影響沿岸地區(qū)干燥和氣候較惡劣的內(nèi)陸增加，陸生生物大受影響變化的洋流也影響對海陸生物古生代中生代新生代勞亞古陸岡瓦納古陸泛大陸歐亞大陸澳大利亞印度南美非

17、洲北美南極第13頁/共30頁第十三頁，共30頁。14 地球的歷史地球的歷史(lsh)和宏進化和宏進化 大陸漂移和宏進化大陸漂移和宏進化 中生代（1.8億年前），泛大陸開始破裂，大陸漂移， 每塊大陸都成為獨立的生物進化區(qū)域，不同生物地理區(qū)域的生物開始多樣化 大陸分離模式解答了 相距遙遠的大陸有著(yu zhe)相似的化石相連的大陸分離 加納和巴西有相似的中生代爬行類化石 氣候環(huán)境相似的大陸有著(yu zhe)不同的動植物區(qū)系大陸分離后的獨自進化 澳大利亞的動植物區(qū)系的獨特性古生代中生代新生代勞亞古陸岡瓦納古陸泛大陸(dl)歐亞大陸澳大利亞印度南美非洲北美南極第14頁/共30頁第十四頁，共30頁。

18、15 集群滅絕和生物多樣性的爆發(fā)集群滅絕和生物多樣性的爆發(fā) 化石記錄揭示：較長的相對穩(wěn)定的時期被短暫的間隔時期所打斷，在間隔時期物種化石記錄揭示：較長的相對穩(wěn)定的時期被短暫的間隔時期所打斷，在間隔時期物種組成的轉(zhuǎn)換規(guī)模巨大，包括集群滅絕和生物多樣性的爆發(fā)組成的轉(zhuǎn)換規(guī)模巨大，包括集群滅絕和生物多樣性的爆發(fā) 6 6千千5 5百萬年前的白堊紀末，半數(shù)以上的海生動物和許多陸生動植物、包括恐龍，都百萬年前的白堊紀末，半數(shù)以上的海生動物和許多陸生動植物、包括恐龍，都滅絕了（白堊紀滅絕）滅絕了（白堊紀滅絕） 隕石或彗星撞擊地球隕石或彗星撞擊地球 印度化石記錄表明：白堊紀晚期大規(guī)模的火山向大氣釋放塵埃，遮住陽

19、光，氣候變印度化石記錄表明：白堊紀晚期大規(guī)模的火山向大氣釋放塵埃，遮住陽光，氣候變冷冷 在過去的在過去的6 6億年億年(y nin)(y nin)內(nèi)發(fā)生過內(nèi)發(fā)生過6 6次集群滅絕；次集群滅絕； 每次滅絕后幸存者會爆發(fā)多樣性，每次滅絕后幸存者會爆發(fā)多樣性， 如哺乳類在白堊紀末的爆發(fā)，與恐龍滅絕有關(guān)如哺乳類在白堊紀末的爆發(fā)，與恐龍滅絕有關(guān) 二疊紀滅絕與爬行類的繁盛，二疊紀滅絕與爬行類的繁盛， 滅絕后出現(xiàn)的進化革新引起多樣性爆發(fā)滅絕后出現(xiàn)的進化革新引起多樣性爆發(fā) 如如 飛行飛行地球的歷史地球的歷史(lsh)和宏進化和宏進化第15頁/共30頁第十五頁，共30頁。16 分類學基礎(chǔ)分類學基礎(chǔ) 系統(tǒng)學系統(tǒng)學

20、 (systematics) (systematics)：是對過去和現(xiàn)在生物多樣性的研究。包括分類學：是對過去和現(xiàn)在生物多樣性的研究。包括分類學(taxonomy)(taxonomy) 分類學分類學 是指對物種進行鑒定、命名和分類是指對物種進行鑒定、命名和分類 給物種命名給物種命名 林奈林奈(Carolus Linnaeus)(Carolus Linnaeus)的分類系統(tǒng)的分類系統(tǒng) 雙名法雙名法(binomial):(binomial):每個物種由兩部分拉丁文名稱每個物種由兩部分拉丁文名稱(mngchng)(mngchng)組成，屬名組成，屬名(genus)+(genus)+種名種名(spec

21、ies)(species)；雙名斜體書寫，屬名第一個字母大寫，；雙名斜體書寫，屬名第一個字母大寫， 如如 Homo Homo sapienssapiens 含分類等級，物種被劃入大的分類單位含分類等級，物種被劃入大的分類單位生物生物(shngw)多樣性的分類多樣性的分類第16頁/共30頁第十六頁，共30頁。17 級系分類法級系分類法(Hierarchical classification) (Hierarchical classification) 第一步是對物種進行雙命名法命名，密切相關(guān)的物種歸為同一個第一步是對物種進行雙命名法命名，密切相關(guān)的物種歸為同一個(y (y )屬屬(genus)(

22、genus) 把相似的屬歸到一個把相似的屬歸到一個(y )(y )科科(family)(family) 依此歸到：目依此歸到：目(order) (order) 綱綱(class) (class) 門門(phylum) (phylum) 界界(kingdom)(kingdom)域域(domain)(domain)生物多樣性的分類生物多樣性的分類(fn li) 分類分類(fn li)學基礎(chǔ)學基礎(chǔ) 第17頁/共30頁第十七頁，共30頁。18人的級系分類人的級系分類(fn li)動物界 Kingdom Animalia 脊索動物門 Phylum Chordata 脊椎動物(jzhudngw)亞門 Su

23、bphylum Vertebrata 哺乳綱 Class Mammalia 真獸亞綱 Subclass Eutheria 靈長目 Order Primates 類人猿亞目 Suborder Anthropoidea 人科 Family Homonidae 人屬 Genus Homo 人種 Species sapiens生物多樣性的分類生物多樣性的分類(fn li) 分類分類(fn li)學基礎(chǔ)學基礎(chǔ) 第18頁/共30頁第十八頁，共30頁。19 分類學和種系發(fā)生分類學和種系發(fā)生 種系發(fā)生種系發(fā)生(phylogeny)(phylogeny)，即，即物種物種(wzhng)(wzhng)的進化史的進化

24、史 系統(tǒng)學家將物種系統(tǒng)學家將物種(wzhng)(wzhng)在分類序列中逐級歸類，形在分類序列中逐級歸類，形成系統(tǒng)發(fā)生樹成系統(tǒng)發(fā)生樹(phylogenetic tree)(phylogenetic tree)生物生物(shngw)多樣性的分類多樣性的分類種屬科豹臭鼬歐洲(u zhu)水獺狗狼豹屬鼬鼠獺屬犬屬貓科鼬科犬科食肉目第19頁/共30頁第十九頁，共30頁。20 同源性與同功性 同源結(jié)構(gòu)反映種系發(fā)生關(guān)系，如脊椎動物的上肢，盡管外貌相差甚遠，但擁有基本的相似性，因為由共同的祖先進化而來但并非所有相似的器官都來自同一個祖先，即具有同源性(homology) 鯨的肢骨和蝙蝠的翅膀 許多物種屬于不

25、同進化樹，被自然選擇塑造成相似的結(jié)構(gòu)，稱趨同進化(convergent evolution)，由于趨同進化而具有的相似性稱為同功性(analogy)。 鳥和昆蟲(knchng)的翅膀 區(qū)分同源性與同功性 比較胚胎發(fā)育 兩種相似的結(jié)構(gòu)越復雜，獨立進化的可能性越小，即越可能有同源性生物生物(shngw)多樣性的分類多樣性的分類 分類學和種系發(fā)生分類學和種系發(fā)生第20頁/共30頁第二十頁，共30頁。21 分子生物(shngw)學是系統(tǒng)學(systematics)的工具 比較生物(shngw)的基因及其產(chǎn)物DNA序列和其編碼蛋白質(zhì)的氨基酸序列 兩個物種DNA及氨基酸序列越相似，即同源性越強，它們從共同

26、祖先分支得越晚生物生物(shngw)多樣性的分類多樣性的分類 分類學和種系發(fā)生分類學和種系發(fā)生分子的系統(tǒng)學為驗證物種的種系發(fā)生假說提供了新方法。分子的數(shù)據(jù)與其他追蹤種系的方法一致，如解剖同源性評價、化石分析(fnx)保存較好的化石，可以直接提取DNA進行分析(fnx)第21頁/共30頁第二十一頁，共30頁。22 分支系統(tǒng)學革命 分子生物學結(jié)合(jih)計算機技術(shù)，產(chǎn)生了分支系統(tǒng)分析(cladistic analysis) 分支分析是對進化支(clade)的科學探索， 進化支使指包括祖先及其所有后代在進化樹上的明確分支(distinctive branch)生物生物(shngw)多樣性的分類多樣

27、性的分類 分類學和種系發(fā)生分類學和種系發(fā)生進化支的每一項可能是物種或更高一級的分類階元確定進化支的核心是 分析每組生物的獨特的同源性，界定(ji dn)進化分支點的進化革新建立反映種系發(fā)生的分類方案，解決形態(tài)上的兩難問題。共同祖先蜥蜴蛇鱷魚鳥第22頁/共30頁第二十二頁，共30頁。23生物生物(shngw)多樣性的分類多樣性的分類 分類學和種系發(fā)生分類學和種系發(fā)生分支分支(fnzh)系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析組外（爬行(pxng)類）組內(nèi)（哺乳類）東部箱龜鴨嘴獸紅袋鼠北美水獺長妊娠期妊娠期毛發(fā)、乳腺脊柱脊柱毛發(fā)、乳腺妊娠期長妊娠期第23頁/共30頁第二十三頁，共30頁。24 生物生物(shngw)(shngw)的的分界分界生物生物(shngw)多樣性的分類多樣性的分類原核(yun h)生物界Monera