生態(tài)學(xué)第一章緒論

第一章緒論第一節(jié)地球上的生命第二節(jié)生態(tài)學(xué)形成及開(kāi)展一、什么是生命二、生命的起源三、生物的多樣性四、生物圈第一節(jié)地球上的生命第一節(jié)地球上的生命一、什么是生命1、定義生命是高度組織化的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，其分子根底是具有自我復(fù)制和具負(fù)載遺傳信息功能的核酸等生物大分子，其通過(guò)生物膜實(shí)現(xiàn)內(nèi)部及內(nèi)外的分隔，形成形形色色的細(xì)胞、組織與生物體，并藉助外界能量的輸入，通過(guò)一系列相互關(guān)聯(lián)的生物化學(xué)過(guò)程而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外物質(zhì)交換和自身的復(fù)制。2．生命的重要屬性:1〕化學(xué)成分的同一性：生物在化學(xué)成分上存在著高度的同一性。分子：以多種無(wú)機(jī)化合物和蛋白質(zhì)、核酸、脂、糖、纖維素等多種有機(jī)大分子為主。大分子的單體相同：蛋白質(zhì)氨基酸，20多種。核酸核甘酸，8種〔DNA和RNA的結(jié)構(gòu)單體是核甘酸〕。生物的貯能分子：高能化合物三磷酸腺苷即ATP。2〕嚴(yán)整有序的結(jié)構(gòu)；3〕新陳代謝：一種是組成作用〔anabolism〕即從外界攝取物質(zhì)和能量，將它們轉(zhuǎn)化成生命本身的物質(zhì)和儲(chǔ)存在化學(xué)鍵中的化學(xué)能一種是分解作用〔catalolism〕、即分解生命物質(zhì)將能量釋放出來(lái)，供生命活動(dòng)之用。4〕應(yīng)激性和運(yùn)動(dòng)；5〕穩(wěn)態(tài)〔homeosatasis〕；指盡管外界環(huán)境波動(dòng)很大，生物依靠某些機(jī)制使體內(nèi)環(huán)境的性質(zhì)維持不變的作用，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)或內(nèi)穩(wěn)態(tài)。6〕生長(zhǎng)發(fā)育；

7〕繁殖和遺傳；

8〕適應(yīng)：①生物的結(jié)構(gòu)都適合于一定的功能②生物的結(jié)構(gòu)和功能適合于該生物在特定環(huán)境條件下的生存和延續(xù)。適應(yīng)是生物界普遍存在的現(xiàn)象。二、生命的起源1.關(guān)于生命起源的幾種學(xué)說(shuō)：1)神創(chuàng)論2)從自然發(fā)生說(shuō)到生源論自然發(fā)生說(shuō)的代表人物：古希臘的哲學(xué)家、自然科學(xué)家亞里士多德〔Aristotle,公元前384—前322〕開(kāi)口瓶?jī)?nèi)置腐肉+蒼蠅——肉上生蛆；封口瓶?jī)?nèi)置腐肉〔無(wú)蒼蠅〕——肉上無(wú)蛆；用實(shí)驗(yàn)證明腐肉不能生蛆，蛆是蒼蠅在肉上產(chǎn)的卵。此后人們才逐漸相信較大的動(dòng)物如蠅、鼠等不能自然發(fā)生F.Redi的實(shí)驗(yàn)意大利生物學(xué)家L.Spakkanzani〔1729—1799年〕的實(shí)驗(yàn)證明小生物也不是自然發(fā)生的肉湯煮沸〔容器開(kāi)口〕—冷卻—靜置數(shù)日—密生微生物。肉湯煮沸〔容器密封〕—冷卻—靜置數(shù)日—無(wú)微生物。結(jié)論—肉湯中的微生物來(lái)自空氣，不是自然發(fā)生的。法國(guó)微生物學(xué)家巴斯德〔LouisPasteur1822～1895〕實(shí)驗(yàn)才最后否認(rèn)了自然發(fā)生說(shuō)。巴斯德的“鵝頸瓶實(shí)驗(yàn)〞3)天外起源說(shuō)或稱(chēng)宇生說(shuō)(Cosmozoatheory)這一學(xué)說(shuō)認(rèn)為地球上的生命來(lái)自宇宙間其他星球,某些微生物孢子可以附著在星際塵埃顆粒上而落入地球,從而使地球有了初始生命.4〕細(xì)胞論和機(jī)體演化論細(xì)胞學(xué)說(shuō)于1838～1839年由施萊登和施旺正式確立.因此細(xì)胞學(xué)成為生物學(xué)的根底,也成為生命科學(xué)的研究熱點(diǎn)和前沿.達(dá)爾文關(guān)于物種起源的進(jìn)化論觀(guān)點(diǎn)，概括起來(lái)就是生物的開(kāi)展源于變異和選擇(自然選擇---即適者生存，那些對(duì)環(huán)境變化不適應(yīng)者將被淘汰而死亡、性選擇和人工選擇)，生存斗爭(zhēng)、機(jī)體變異、選擇積累，由漸變到突變而產(chǎn)生新種。2、生命起源的現(xiàn)代理論——化學(xué)進(jìn)化論生命發(fā)生的最早階段是化學(xué)進(jìn)化，即從無(wú)機(jī)小分子進(jìn)化到原始生命階段?！不瘜W(xué)進(jìn)化的全過(guò)程又可分為4個(gè)連續(xù)的階段。〕地球年齡和生物進(jìn)化〔×10億年〕1〕從無(wú)機(jī)分子生成有機(jī)分子

Miller模擬實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)論：構(gòu)成蛋白質(zhì)根本成分的氨基酸在缺氧的復(fù)原條件下，通過(guò)各種能源聚合而成。而早期地球原始大氣是符合這些條件的。因此，地球原始缺氧環(huán)境是產(chǎn)生大量氨基酸的階段，而氨基酸的普遍存在那么為化學(xué)進(jìn)化最終導(dǎo)致生命起源創(chuàng)造了極為有利的條件。2〕從有機(jī)小分子生成生物大分子生命物質(zhì)的最主要的兩個(gè)基石是蛋白質(zhì)與核酸。有機(jī)小分子如何形成蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子，人們有一些實(shí)驗(yàn)與推測(cè)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)推測(cè)，聚合作用是通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)的。A：溶液聚合：在黏土外表吸附作用下發(fā)生聚合。黏土的細(xì)粒帶有電荷，可以使氨基酸等單體吸附其上，大量聚集，有利于聚合。B：濃縮聚合：在海岸或湖泊樣的小水體中，由于長(zhǎng)期蒸發(fā)水中氨基酸等分子含量很高，這樣的溶液在較高溫度條件下可以直接產(chǎn)生“類(lèi)蛋白〔proteinoids〕〞樣的多肽。類(lèi)似于蛋白質(zhì)和核酸的物質(zhì)，在人工模擬原始地球條件下，都已能制造出來(lái)。但和現(xiàn)代生命的蛋白質(zhì)和核酸相比還有一定距離。3〕多分子體系的形成和原始生命的出現(xiàn)：奧巴林的團(tuán)聚體學(xué)說(shuō)〔Coacervatetheory〕認(rèn)為，生物大分子主要是蛋白質(zhì)溶液和核酸溶液合在一起時(shí)，可形成團(tuán)聚體小滴，這就是多分子體系，它具有一定的生命現(xiàn)象。奧巴林理論的困難仍然是大分子的聚合問(wèn)題。理論存在先有蛋白質(zhì)還是先有核酸的問(wèn)題。該問(wèn)題總是得不到解決的線(xiàn)索。4〕多分子體系生物化學(xué)過(guò)程的進(jìn)化和自養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)的出現(xiàn)：異養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)的改變：隨著多子分體系的增多，外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少，多分子體系只有由簡(jiǎn)單的生物化學(xué)過(guò)程轉(zhuǎn)變的復(fù)雜一些的體系才能適應(yīng)這些改變了的外界環(huán)境而生存下來(lái)。自養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)的意義：①有了自養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)，它們創(chuàng)造的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為其它生物提供了營(yíng)養(yǎng)需要，才使生物界進(jìn)一步開(kāi)展。②光合作用產(chǎn)生了分子氧，使地球上大氣的組成發(fā)生了變化3、真核細(xì)胞的起源

根據(jù)rRNA序列比較得出的3支并列的系統(tǒng)

4、目前對(duì)生命起源與進(jìn)化的初步結(jié)論：在原始地球的條件下，由無(wú)機(jī)化學(xué)元素的化合，進(jìn)化為有機(jī)化合物，由低分子量生物有機(jī)化合物進(jìn)化為高分子量有機(jī)生物化合物，也可能由低分子量有機(jī)生物化合物通過(guò)磷?；被幔纬删哂猩F(xiàn)象的核蛋白和具有復(fù)制功能的核酸，產(chǎn)生原始生命。生命起源于距今38億年前，經(jīng)歷許多重大進(jìn)化階段，經(jīng)歷屢次大的集群演替和小的更換，老的生命滅絕了，新的生命由輻射產(chǎn)生出來(lái)，生生不息，永無(wú)止境，最后在200萬(wàn)年前出現(xiàn)了人類(lèi)。由此可見(jiàn)，生命的產(chǎn)生和進(jìn)化是一個(gè)漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程，絕非任何神靈在數(shù)天之內(nèi)可以創(chuàng)造出來(lái)的。三、生物的多樣性1．生物多樣性〔biodiversity〕的定義及其內(nèi)涵生命有機(jī)體及其賴(lài)以生存的生態(tài)綜合體的多樣化〔variety〕和變異性。生物多樣性是指生命形式的多樣化〔從類(lèi)病毒、病毒、細(xì)菌、支原體、真菌到動(dòng)物界與植物界〕，各種生命形式之間及其與環(huán)境之間的多種相互作用、以及各種生物群落、生態(tài)系統(tǒng)及其生境與生態(tài)過(guò)程的復(fù)雜性。生物多樣性可以從3個(gè)層次上去描述：即遺傳多樣性；物種多樣性；生態(tài)系統(tǒng)與景觀(guān)多樣性。遺傳多樣性〔geneticdiversity〕是指所有生物個(gè)體中所包含的各種遺傳物質(zhì)和遺傳信息，既包括同一種的不同種群的基因變異，也包括了同一種群內(nèi)的基因差異。

物種多樣性〔speciesdiversity〕是指多種多樣的生物類(lèi)型及種類(lèi)，強(qiáng)調(diào)物種的變異性，物種多樣性代表著物種演化的空間范圍和對(duì)特定環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)性，是進(jìn)化機(jī)制的最主要產(chǎn)物。生態(tài)系統(tǒng)多樣性〔ecosystemdiversity〕是指生態(tài)系統(tǒng)中生境類(lèi)型、生物群落和生態(tài)過(guò)程的豐富程度。生態(tài)系統(tǒng)由植物群落、動(dòng)物群落、微生物群落及其環(huán)境〔包括光、水、空氣、土壤等等〕所組成。系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)組分間存在著復(fù)雜的相互關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)中的主要生態(tài)過(guò)程包括能量流動(dòng)、水分循環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)、生物之間的相互關(guān)系〔如競(jìng)爭(zhēng)、捕食、共生等〕。景觀(guān)多樣性〔landscapediversity〕景觀(guān)多樣性指與環(huán)境和植被動(dòng)態(tài)相聯(lián)系的景觀(guān)斑塊的空間分布特征〔Gaston,1996〕。景觀(guān)是由斑塊、通道和背景基質(zhì)所構(gòu)成的空間上的疊合體〔Forman,1995〕。景觀(guān)有其結(jié)構(gòu)、功能和自身的動(dòng)態(tài)。

2.生物多樣性的空間格局空間分布格局：就宏觀(guān)而言，生物多樣性的分布有一定的規(guī)律：在緯度上，從赤道往兩極，物種數(shù)目有規(guī)律的降低。在不同水熱條件下，表現(xiàn)出不同的垂直分布格局。在水分受到限制的干旱、半干旱地區(qū)，生物多樣性隨干旱程度的增加而降低。在人類(lèi)活動(dòng)或突發(fā)性自然因子的干擾下，生物多樣性也會(huì)發(fā)生明顯變化。3.分布格局的成因地質(zhì)歷史：地質(zhì)歷史古老的地區(qū)，可能擁有更多的物種。環(huán)境異質(zhì)性與資源多樣性：環(huán)境的異質(zhì)性越高，就會(huì)提供更多的生態(tài)位與更多的資源類(lèi)型，從而容納更多的物種。島嶼生物地理學(xué)理論：美國(guó)生態(tài)學(xué)家R.H.MacArthur與〔1967〕提出，島嶼的面積越大以及與大陸的距離越近，其物種的多樣性越高，并給出了定量表述方法。生物因素：種間關(guān)系、種的生態(tài)位幅度等生物因素對(duì)生物多樣性也起重要作用。如共生、寄生、傳粉、捕食、競(jìng)爭(zhēng)等，均影響一個(gè)群落或生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。物種的傳播、外來(lái)種引入、生產(chǎn)量上下，均會(huì)對(duì)生物多樣性發(fā)生重大影響。尺度問(wèn)題：生物多樣性的測(cè)定都是在一定尺度上進(jìn)行的，一定空間或時(shí)間上的測(cè)度結(jié)果不能用于說(shuō)明其他尺度上的問(wèn)題。因此，在比較不同地區(qū)或不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型生物多樣性的上下時(shí)，一定要有尺度概念。四、生物圈生物圈的概念：地球上存在生命的局部稱(chēng)做生物圈(biosphere)，由大氣圈的下層(對(duì)流層〕，水圈和巖石圈的上層(風(fēng)化殼)組成。生物圈的范圍在地表以上可達(dá)23km的高空，而在地表以下可延伸到12km的深度。但是有機(jī)體能夠定居的區(qū)域比這一范圍要窄得多。第二節(jié)生態(tài)學(xué)的形成及開(kāi)展一、生態(tài)學(xué)的定義及研究對(duì)象二、生態(tài)學(xué)的形成和開(kāi)展一、生態(tài)學(xué)的定義及研究對(duì)象：1．生態(tài)學(xué)的定義生態(tài)學(xué)是研究生物及環(huán)境間相互關(guān)系的科學(xué)〞。這里，生物包括動(dòng)物、植物、微生物及人類(lèi)本身，而環(huán)境那么指生物生活中的無(wú)機(jī)因素、生物因素和人類(lèi)社會(huì)共同構(gòu)成環(huán)境系統(tǒng)。2、生態(tài)學(xué)的研究對(duì)象：1〕根據(jù)研究對(duì)象的組織水平劃分分子生態(tài)學(xué)(MolecularEcology)、進(jìn)化生態(tài)學(xué)(EvolutionaryEcology)、個(gè)體生態(tài)學(xué)(Autecology)或生理生態(tài)學(xué)(PhysiologicalEcology)、種群生態(tài)學(xué)(PopulationEcology)、群落生態(tài)學(xué)(CommunityEcology，Synecology)、生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)(EcosystemEcology)、景觀(guān)生態(tài)學(xué)(LandscapeEcology)與全球生態(tài)學(xué)(GlobalEcology)。2〕根據(jù)研究對(duì)象的分類(lèi)學(xué)類(lèi)群劃分分出植物生態(tài)學(xué)、動(dòng)物生態(tài)學(xué)、微生物生態(tài)學(xué)、陸地植物生態(tài)學(xué)、哺乳動(dòng)物生態(tài)學(xué)、昆蟲(chóng)生態(tài)學(xué)、地衣生態(tài)學(xué)，以及各個(gè)主要物種的生態(tài)學(xué)。3〕根據(jù)研究對(duì)象的生境類(lèi)別劃分根據(jù)研究對(duì)象的生境類(lèi)別劃分有陸地生態(tài)學(xué)(TerrestriaEcology)、海洋生態(tài)學(xué)(MarineEcology)、淡水生態(tài)學(xué)(FreshwaterEcology)、島嶼生態(tài)學(xué)(IslandEcology或IslandBiogerography)等。4〕根據(jù)研究性質(zhì)劃分理論生態(tài)學(xué)：涉及生態(tài)學(xué)進(jìn)程、生態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)推理及生態(tài)學(xué)建模應(yīng)用生態(tài)學(xué)：A、應(yīng)用于各類(lèi)農(nóng)業(yè)資源的管理，產(chǎn)生了農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)、森林生態(tài)學(xué)、草地生態(tài)學(xué)、家畜生態(tài)學(xué)、自然資源生態(tài)學(xué)等；B、應(yīng)用于城市建設(shè)那么形成了城市生態(tài)學(xué)(UrbanEcology)；C、應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)與受損資源的恢復(fù)那么形成了保育生物學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)(RestorationEcology)、生態(tài)工程學(xué)(EngineeringEcology);D、應(yīng)用于人類(lèi)社會(huì)，那么產(chǎn)生了人類(lèi)生態(tài)學(xué)(HumanEcology)、生態(tài)倫理學(xué)(EcologyEthics)等。E、還有學(xué)科間相互滲透而產(chǎn)生的邊緣學(xué)科。例如，數(shù)量生態(tài)學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)、物理生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)生態(tài)學(xué)等。

根據(jù)研究對(duì)象的組織水平劃分的各類(lèi)生態(tài)學(xué)簡(jiǎn)介：

1.個(gè)體生態(tài)學(xué)：是研究生物的個(gè)體發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)育與環(huán)境間相互關(guān)系的科學(xué)。

2、種群生態(tài)學(xué)種群〔population〕：是指在特定空間里能自由交配繁殖后代的同種個(gè)體的集合。種群生態(tài)學(xué)是研究種群的數(shù)量、分布、時(shí)空動(dòng)態(tài)、遺傳組成和進(jìn)化、行為適應(yīng)等規(guī)律與其周?chē)h(huán)境中生物和非生物因素之間相互關(guān)系的科學(xué)。其中研究種群數(shù)量在時(shí)間上和空間上的變動(dòng)規(guī)律是種群生態(tài)學(xué)的核心問(wèn)題。3、群落生態(tài)學(xué)：生物群落〔bioticcommunityorbiocoenosis〕是指特定空間或特定生境下假設(shè)干生物種群有規(guī)律的組合，它們之間以及它們與環(huán)境之間彼此影響，相互作用，具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)與營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，執(zhí)行一定的功能。群落生態(tài)學(xué)主要研究生物群落的種類(lèi)組成、結(jié)構(gòu)、功能、分布、及其發(fā)生、開(kāi)展規(guī)律以及與所處環(huán)境的相互關(guān)系。生物群落可以從植物群落、動(dòng)物群落和微生物群落這三個(gè)不同角度來(lái)研究。其中以植物群落研究得最多，也最深入。4、生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)：生態(tài)系統(tǒng)〔ecosystem〕是指在一定的時(shí)空范圍內(nèi)，生物群落與其環(huán)境之間通過(guò)不斷的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞而形成相互依賴(lài)、相互作用、相互制約的統(tǒng)一整體，這一整體稱(chēng)為生態(tài)系統(tǒng)?，F(xiàn)代生態(tài)學(xué)的一個(gè)突出特點(diǎn)就是以各種生態(tài)系統(tǒng)為一個(gè)功能單位進(jìn)行研究，其研究的主要內(nèi)容為生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，生態(tài)系統(tǒng)的演替、生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性以及生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干擾的恢復(fù)能力和自我調(diào)節(jié)控制能力等，其中生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)仍是其研究主流。5、景觀(guān)生態(tài)學(xué)〔Landscapeecology〕：景觀(guān)〔Landscape〕的最早含義是指地方風(fēng)景或景色，現(xiàn)通常是指一個(gè)地理區(qū)域的總體特征，它是一個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的異質(zhì)性系統(tǒng)，一個(gè)具有空間重復(fù)性和可辯識(shí)的自然綜合體。景觀(guān)生態(tài)學(xué)〔Landscapeecology〕以整個(gè)景觀(guān)的結(jié)構(gòu)、功能和演替為研究對(duì)象，主要研究景觀(guān)中各自然組分的異質(zhì)性，它們之間的相互作用及其與生物活動(dòng)、尤其是人類(lèi)活動(dòng)之間的相互關(guān)系。6.全球生態(tài)學(xué)(globalecology)：或稱(chēng)生物圈生態(tài)學(xué)，是研究人類(lèi)棲居地球的生命維持系統(tǒng)的根本性質(zhì)的科學(xué)。它是正在開(kāi)展中的生態(tài)學(xué)分支?！叭蜃兓暿歉攀龅厍颦h(huán)境中與自然的和人類(lèi)引起的變化有關(guān)的一系列全球問(wèn)題總和的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。全球變化研究的最終目標(biāo)是：在弄清全球的形成原因預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)千年的全球變化的根底上，提出人類(lèi)適應(yīng)或減緩全球變化影響的對(duì)策，從而為人類(lèi)的可持續(xù)開(kāi)展效勞。二、生態(tài)學(xué)的形成和開(kāi)展1.生態(tài)學(xué)的萌芽時(shí)期(公元16世紀(jì)以前)2.生態(tài)學(xué)的建立時(shí)期(公元17世紀(jì)至19世紀(jì)末)3.生態(tài)學(xué)的穩(wěn)固時(shí)期(20世紀(jì)初至20世紀(jì)50年代)4.現(xiàn)代生態(tài)學(xué)時(shí)期(20世紀(jì)60年代至現(xiàn)在)3.生態(tài)學(xué)的穩(wěn)固時(shí)期(20世紀(jì)初至20世紀(jì)50年代)1)北歐學(xué)派(Uppsala學(xué)派)：由瑞典Uppsala大學(xué)的R．Sernauder所創(chuàng)立，繼承人為G．E．DuRietz。以注重群落分析為特點(diǎn)。2)法瑞學(xué)派：有兩個(gè)中心，一在瑞士Zurich大學(xué)，一在法國(guó)Montpellier大學(xué)，所以又稱(chēng)為蘇黎士—蒙伯利埃學(xué)派，他們聯(lián)合創(chuàng)立了“國(guó)際