奧賽講義 第六章 生物系統(tǒng)學(xué)綜述

1、奧賽講義 第六章 生物系統(tǒng)學(xué)綜述生物多樣性是指在一定時(shí)間和一定地區(qū)所有生物物種(動(dòng)物、植物、微生物)及其遺傳變異和生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性總稱。 生物多樣性包括多個(gè)層次或水平，如基因、細(xì)胞、組織、器官、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、景觀等。每一層次都具有豐富的變化，即都存在著多樣性。其中，研究較多、意義重大的主要包括遺傳多樣性、物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀多樣性4個(gè)層次。一、 生物多樣性的概念1.遺傳多樣性（基因多樣性）廣義的遺傳多樣性：指地球上所有生物所攜帶的遺傳信息的總和。狹義的遺傳多樣性：主要是指生物種內(nèi)基因的變化，包括種內(nèi)顯著不同的種群（居群）之間以及同一種群內(nèi)的遺傳變異。2.物種多樣性指地球上生

2、存的所有生物有機(jī)體的復(fù)雜多樣性。（一個(gè)地區(qū)內(nèi)物種水平的多樣性）就全球而言已經(jīng)被命名的生物種類約140萬(wàn)中（1992年）；有待發(fā)現(xiàn)和命名的約有2000萬(wàn)5000萬(wàn)種。形形色色的植物形形色色的動(dòng)物形形色色的動(dòng)物中國(guó)物種多樣性高等植物萬(wàn)余種，特有種萬(wàn)多種；占世界區(qū)系成分的10%。在世界上排第三。苔蘚植物2200種，占世界總種數(shù)的9.7%蕨類植物約22002600種，占世界種數(shù)的22%裸子植物約250種是裸子植物最多的國(guó)家。被子植物約30000多種，占世界10%。脊椎動(dòng)物種，占世界總種數(shù)（45417）的13.97%。特有種約種。中國(guó)是世界上鳥(niǎo)類種類最多的國(guó)家之一，共有鳥(niǎo)類1244種，占世界總種數(shù)的13

3、.1%；中國(guó)有魚(yú)類3862種，占世界總種數(shù)（19056種）的20.3%。 巴西物種多樣性巴西是世界上物種多樣性最豐富的國(guó)家。很多類群的生物多樣性都居世界第一位。靈長(zhǎng)類動(dòng)物有55種，占世界總數(shù)的24%。兩棲類動(dòng)物有516種陸生脊椎動(dòng)物有3010種淡水魚(yú)類3000種以上（比第二位國(guó)家多三倍），昆蟲(chóng)約為1000萬(wàn)到1500萬(wàn)種，有花植物55000種，占世界總數(shù)的22%，爬行動(dòng)物有467種，占第四位。鳥(niǎo)類有1622種；占世界第三位。棕櫚類387種，占第三位。哺乳動(dòng)物428種，占第四位。 世界物種多樣性概貌類 群已描述的物種數(shù)類 群以描述的物種數(shù)細(xì)菌和藍(lán)綠藻4760其他節(jié)肢動(dòng)物和小型無(wú)脊椎動(dòng)物13246

4、1藻 類26900真 菌46983昆 蟲(chóng)751000苔蘚植物（蘚類和地錢）17000軟體動(dòng)物50000裸子植物（針葉植物）750海 星6100被子植物（有花植物）250000魚(yú)類（真骨魚(yú)）19056原生動(dòng)物30800兩棲動(dòng)物4184海綿動(dòng)物5000爬行動(dòng)物6300珊瑚與水母9000鳥(niǎo) 類9198線蟲(chóng)和環(huán)節(jié)動(dòng)物24000哺乳動(dòng)物4170甲殼動(dòng)物38000 3、復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)多樣性是指生物圈內(nèi)生存環(huán)境、生物群落和生態(tài)過(guò)程的多樣化，以及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生境差異、生態(tài)過(guò)程變化的多樣性。它分為陸地、濕地和海洋三大生態(tài)系統(tǒng)，這三大生態(tài)系統(tǒng)各自又包含著各種各樣的次級(jí)生態(tài)系統(tǒng)。陸地生態(tài)系統(tǒng)包含森林、草原和荒漠生態(tài)

5、系統(tǒng)。而這些次級(jí)生態(tài)系統(tǒng)還可以區(qū)分為更次一級(jí)的類型農(nóng)田和城市形成了一類獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，即人工生態(tài)系統(tǒng)。生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)。我國(guó)常見(jiàn)生態(tài)系統(tǒng)類型海洋生態(tài)系統(tǒng)4、空間尺度大的景觀多樣性景觀是指一組重復(fù)出現(xiàn)、具有相互影響的生態(tài)系統(tǒng)組成的異質(zhì)性陸地區(qū)域，如森林景觀、草地景觀、荒漠景觀、農(nóng)業(yè)景觀、果園景觀和城市景觀等。例如：森林景觀它的嵌合體有河流、灌叢、草地和沼澤等；廓道有防火隔離帶和傳輸線等；基質(zhì)是森林，因?yàn)樗南鄬?duì)面積大于河流、灌叢等嵌合體，在景觀中形成背景。這三種景觀要素(嵌合體、廓道、基質(zhì))在一個(gè)陸地區(qū)域內(nèi)鑲嵌分布、重復(fù)出現(xiàn)，就形成了森林景觀。各層次多樣性的關(guān)系遺傳多樣性是物種多樣性

6、和生態(tài)系統(tǒng)多樣性的基礎(chǔ)。任何一個(gè)物種都具有獨(dú)特的基因庫(kù)和遺傳組織形式。物種多樣性則顯示了基因遺傳的多樣性。物種是構(gòu)成生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的基本單元。生態(tài)系統(tǒng)多樣性離不開(kāi)物種多樣性。也就離不開(kāi)遺傳多樣性。二、生物多樣性的意義和面臨的威脅 當(dāng)前生物多樣性已成為全球關(guān)注的重大問(wèn)題，因?yàn)槿颦h(huán)境的惡化、森林火災(zāi)的頻頻發(fā)生、人類掠奪式的采伐和破壞、生物多樣性正在以前所未有的速度減少和滅絕。一個(gè)物種和基因一旦消失，就不會(huì)重新產(chǎn)生。一）生物多樣性的意義人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)維系自然界中的物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)平衡（一）、SOS生物圈在呼救人類進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代時(shí)，只有8.5億人，與地球上差不多已達(dá)到最大多樣化的其他

7、生命共同擁有地球，今天，人口增長(zhǎng)的速度極快，而生物多樣性則銳減。生物多樣性的降低主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：二）生物多樣性面臨的威脅1、世界物種數(shù)量急劇減少自從40億年前地球出現(xiàn)生命以來(lái)，絕滅已成為生命過(guò)程的必然事實(shí)，從那時(shí)至今，曾經(jīng)生存過(guò)幾十億個(gè)物種，而絕大部分都滅絕了。每天約有100多種生物在地球上絕滅，今后100年內(nèi)，地球上3070的植物將消失。過(guò)去的滅絕都是自然過(guò)程所致， 而今天人類毫無(wú)疑問(wèn)地是物種滅絕的主要原因。藏羚羊可可西里的小藏羚羊青海湖的藏羚羊遭殺戮的藏羚羊東北虎華 南 虎2、生態(tài)破壞令人吃驚生物多樣性降低的最大威脅生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。近幾個(gè)世紀(jì),很多自然景觀已由人類通過(guò)砍伐森林,

8、火燒和畜牧踐踏等活動(dòng)而改變和簡(jiǎn)化。昔日天堂今日天堂居 延（內(nèi)蒙古 ） 今 昔阿拉善（內(nèi)蒙古 ）今昔3、遺傳多樣性日益匱乏 遺傳多樣性的日益匱乏，主要表現(xiàn)在種下的亞種、變種和品種數(shù)量不斷減少。（二）、生物多樣性受威脅的原因生物多樣性衰減的原因是多方面的，有自然過(guò)程、人為因素、社會(huì)因素。主要有：1、棲息地的喪失和片段化2、掠奪式的過(guò)度利用3、環(huán)境污染4、外來(lái)種的大量引進(jìn)或侵入1.熱帶雨林的大量砍伐，造成物種棲息地的喪失和片段化被砍伐的巴西雨林美麗的熱帶園林景觀2、掠奪式的過(guò)度利用過(guò)度利用導(dǎo)致物種滅絕過(guò)度利用造成生物資源的退化（湖泊中“大個(gè)子”魚(yú)減少；牧草小型化）過(guò)度利用會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的崩潰（亂挖甘

9、草使草原沙漠化）寧夏甘草遭掠奪性挖采 資源減少土地沙化嚴(yán)重每挖一根甘草，就破壞方圓四、五米的植被北京沙塵暴不法分子在摟發(fā)菜3、環(huán)境污染污染物對(duì)生物多樣性的危害二氧化硫和酸雨使作物減產(chǎn)甚至死亡；農(nóng)藥在生物體內(nèi)的富集等大氣污染溫室效應(yīng)水 污 染水污染造成魚(yú)死亡 生物多樣性的聚減，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化，造成生物生產(chǎn)水平低下，已嚴(yán)重影響社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為此加強(qiáng)對(duì)生物多樣性的研究和保護(hù)迫在眉睫。第二節(jié) 生物分類學(xué)的發(fā)展一、人為分類按照自己的方便和意圖，選擇一個(gè)或少數(shù)性狀（形態(tài)、習(xí)性、用途）作為分類的依據(jù)，而不考慮植物間的親緣關(guān)系和演化關(guān)系。明朝李時(shí)珍（15181593）的本草綱目一書(shū)中將植物分為草、木、谷

10、、果、菜5部；動(dòng)物也分為五部，即蟲(chóng)部、鱗部、介部、禽部和獸部；人另屬一部，即人部。 近代分類學(xué)誕生于18世紀(jì)，它的奠基人是瑞典植物學(xué)者林奈。林奈為分類學(xué)解決了兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題第一是建立了雙名法，每一物種都給以一個(gè)學(xué)名，由兩個(gè)拉丁文詞匯所組成，其中第一個(gè)單詞是屬名 (為名詞,其第一個(gè)字母必須大寫),第二個(gè)單詞為種名(形容詞),在種名后面寫出定名人姓氏的縮寫(第一個(gè)字母必須大寫).屬名+種名+命名人(姓氏縮寫).如：胡蘿卜Daucus carota L.; 第二是確立了階元系統(tǒng)，林奈把自然界分為植物、動(dòng)物和礦物三界，在動(dòng)植物界下，又設(shè)有綱、目、科、屬、種五個(gè)級(jí)別，從而確立了分類的階元系統(tǒng)。例：黃蓮 C

11、optis chinensis Franch.界.植物界 Plantae 門.被子植物門 Spermatophyta 綱.雙子葉植物綱 Dicotyledoneae 目.毛茛目 Ranales 科.毛茛科 Ranunculaceae 屬.黃蓮屬 Coptis 種黃蓮 Coptis chinensis Franch. 由于林奈的進(jìn)化觀點(diǎn)不是很明顯，因而對(duì)分類學(xué)影響不大。直到1859年，達(dá)爾文的物種起源出版以后，進(jìn)化思想才在分類學(xué)中得到貫徹，人們逐漸認(rèn)識(shí)到現(xiàn)存的生物種類和類群的多樣性，乃是由古代的生物經(jīng)過(guò)幾十億年的長(zhǎng)期進(jìn)化而形成的，各種生物之間存在著不同程度的親緣關(guān)系，分類研究不僅應(yīng)考慮到生物的形

12、態(tài)結(jié)構(gòu)、功能、生態(tài)等，更要考慮到生物之間的親緣關(guān)系和演化歷史，將分類系統(tǒng)形成生物系譜的系統(tǒng)分類學(xué)、自然分類學(xué)由此誕生。 二、自然分類（一）自然分類的概念林奈以后的時(shí)期，依據(jù)最能反映植物親緣關(guān)系和系統(tǒng)發(fā)育中的主要性狀進(jìn)行分類自然分類又稱系統(tǒng)發(fā)育分類 自然分類的重要依據(jù)主要有形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生物化學(xué)、比較胚胎學(xué)、比較解剖學(xué)和古生物學(xué)等方面，特別依據(jù)最能反映植物親緣關(guān)系和系統(tǒng)演化中的主要性狀。近幾十年來(lái)，特別是分子生物學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代分類學(xué)家在分類的過(guò)程中，廣泛采用了生理、生化、免疫學(xué)、生態(tài)分布、遺傳學(xué)及分子生物學(xué)的技術(shù)進(jìn)行分類學(xué)研究，以便獲得更為可靠、更為全面的分類學(xué)依據(jù)，來(lái)確定生物間的親緣關(guān)系，使

13、“自然分類”更符合自然的本來(lái)面貌。（二）自然分類的重要依據(jù)1.細(xì)胞學(xué)依據(jù) 以染色體的形態(tài)和數(shù)目、減數(shù)分裂時(shí)染色體的行為方式可獲得細(xì)胞學(xué)依據(jù)2.化學(xué)依據(jù) 以一些代謝的小分子化合物，如植物堿、酚、糖、糖苷等和一些大分子化合物，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)等，通過(guò)血清、電泳等方法獲得的生化指標(biāo)可獲得生物化學(xué)依據(jù)（1）抗體抗原反應(yīng)（2）生物大分子比較幾種生物與人的細(xì)胞色素c中的氨基酸及相對(duì)應(yīng)的核苷酸組成的差異比較以上數(shù)據(jù)可以作為說(shuō)明這些生物的同源性及親緣關(guān)系遠(yuǎn)近的依據(jù)，如人和黑猩猩的親緣關(guān)系最近，和獼猴的親緣關(guān)系稍遠(yuǎn)一點(diǎn)，和酵母菌等的親緣關(guān)系更遠(yuǎn)。 總之，一切具有種間差異的特征均可作為分類的依據(jù)。隨著各學(xué)

14、科的發(fā)展，對(duì)生物的認(rèn)識(shí)越來(lái)越全面，生物學(xué)各學(xué)科的發(fā)展為生物分類的逐步完善提供了條件，人們才有可能綜合各方面的資料，最終建立起一個(gè)反映親緣關(guān)系的自然分類系統(tǒng)。第三節(jié) 生物分類等級(jí)和生物系統(tǒng)樹(shù)現(xiàn)代的分類等級(jí)通常包括七個(gè)主要級(jí)別：界、門、綱、目、科、屬、種。種（物種）是基本單元隨著研究的進(jìn)展，分類層次不斷增加，單元上下可以附加次生單元，如總綱（超綱）、亞綱、次綱、總目（超目）、亞目、次目、總科（超科）、亞科、亞種等等 一、分類等級(jí)二、生物系統(tǒng)樹(shù)：生物各種族的系統(tǒng)關(guān)系有如樹(shù)狀，可用圖來(lái)表示其狀態(tài) 第四節(jié) 生物的分界 生物的界級(jí)分類隨著人們研究技術(shù)的改進(jìn)和認(rèn)識(shí)的深入，從先到后大致提出了如下幾個(gè)分類系統(tǒng)：

15、兩界系統(tǒng)：瑞典生物學(xué)家林奈(17071778)，把整個(gè)生物分成相應(yīng)的兩大類：植物界和動(dòng)物界，一直沿用到20世紀(jì)50年代。三界系統(tǒng)：1866年，德國(guó)生物學(xué)家海克(EHHaeckel)，這個(gè)三界(原生生物界、植物界和動(dòng)物界)分類系統(tǒng)，初步地反映了生物進(jìn)化的途徑。四界系統(tǒng)：1959年惠特克(RHWhittaker)提出了原生生物界、真菌界、植物界和動(dòng)物界分類系統(tǒng)。五界系統(tǒng)：惠特克于1969年提出了五界分類系統(tǒng)：原核生物界，包括細(xì)菌和其他原核生物；原生生物界，包括單細(xì)胞真核生物，如原生動(dòng)物和多數(shù)藻類；真菌界；植物界；動(dòng)物界。這是目前應(yīng)用最為廣泛的分類系統(tǒng)。六界分類系統(tǒng)：1979年我國(guó)學(xué)者陳世驤等提出三總界六界分類系統(tǒng)，則非細(xì)胞生物總界、原