生命科学导论总结.doc

第1讲 生命的起源与进化一、 生命到底是什么？生命的生物学定义：生命是生物体所表现出来的自身繁殖、生长发育、新陈代谢、遗传变异以及对刺激产生反应等复合现象。1、 前分子生物学时代生命是活力（隐得来稀亚里士多德）2、 分子生物学时代生命是机器,是生物大分子机器3、 基因组时代生命是信息 只不过是一组碱基编码基因数不对应生物体的复杂性越是高等的生物，非编码DNA在不断增加（人类基因组中，有95% DNA不参加编码蛋白质）生命是单一起源（共相同源）l 1、DNA是遗传物质；l 2、DNA复制使用模板和碱基配对机制；l 3、将DNA转录成RNA使用有同源催化机制的RNA聚合酶；l 4、使用三联体密码子把RNA翻译成蛋白；l 5、使用rRNA、tRNA和核糖体蛋白的混合物来翻译蛋白质；l 6、ATP作为细胞内能量储存和合成DNA、RNA的能量来源；l 7、细胞质被包在膜内，营养和废物可以通过；8、生命起源于海洋，并是热起源。二、生命起源的各种假说(一) 神创论（二）胚种论（Panspermia）只是一种猜测 该理论认为，地球最初的生命来源于宇宙空间（三） 深海烟囱起源假说这种生命形成理论认为，生命起源于海底热泉口，最初富含氢气的有机微粒便是从这个口中喷出。然后，热泉边的岩石凹陷处将这些有机微粒集中到一起，并给它们提供丰富的矿物养分。即便是今天，这些海底热泉依然富含大量的化学物质和热能，滋养着充满生气的生态系统。（四）泥土造物假说 与土壤形成机理相矛盾一些科学家认为最早的有机生命体应该起源于泥土。他们认为泥土不仅使有机微粒聚在一起，更帮助它们逐步形成我们今天的基因模式。DNA的一大作用就是储存分子如何排列的信息，DNA的发生次序对于蛋白质内氨基酸的排列模式起到至关重要的作用。而泥土中的矿物晶体将有机分子按照某种模式排列起来。逐渐的，有机分子自己也具有了自我组织的能力，并慢慢形成了今天的万物。然而，土壤是群落发育的产物，除非是火山灰（四） 电火花形成假说电火花可以使空气中的水、甲烷、氨气和氢气通过化学作用形成氨基酸和糖分。这一点使得许多科学家相信生命最初的物质是通过大自然中的电力效应产生的（五） 冰雪地球假说在约30亿年前，地球上曾覆盖着厚厚的冰层。这些冰层大概有几百米厚，既保护了一些有机物质躲开紫外线的照射，又可保护天体撞击所造成的损害。据此，有机物质得以在冰下的水中慢慢滋生繁衍，最终形成今天的万物。然而，生命体中酶的适宜温度（25-30）与此不符。（六） RNA起源假说核糖核酸RNA与脱氧核糖核酸DNA一样有着储存信息的作用，帮助DNA和蛋白质的形成。在机体中，RNA还有着打开或者关闭某些基因的功能。一些科学家认为，生命是从RNA开始，RNA是在地球上自发形成的。（七） 自生论生命是自然界中随机的自然发生的。（八） 生源论所有生命只能来源于生命，从非生命物质中绝对不可能随时自发地产生出新的生命个体三、 生命起源的三个阶段元素演化化学演化生命演化从生物大分子演化期到细胞包括4个步骤：（1）生物大分子和催化作用形成；（2）有机物聚合成多聚体，整合为多分子体系颗粒（原球体，奥巴林假说） ；（3）多聚体代谢与遗传体系的形成；（4）细胞膜出现原核细胞，进入生物演化。四、生命起源的证据（一）化学人工合成实验（二） 遗传系统的起源 代谢系统和遗传系统的起源与进化偶然合成的能促进RNA复制活性的短肽链与RNA的合作促进了原始细胞遗传系统的进化。偶然以RNA为模板合成了DNA链，后者贮存和复制遗传信息比RNA更稳定也更有效，生命起源初期RNA发挥主要作用的时代便让位于DNA-RNA-蛋白质共同作用的时代。繁殖、蛋白质合成和代谢三者在特殊环境条件下协同进化，加深了遗传系统与代谢系统的偶联。生命由起源阶段进入漫长的进化阶段，演化出多样性的生物世界（三）原始的地球和最早出现的生物 38-35亿年前，原始的地球缺乏氧气，大气中存在着许多还原性气体如 NH3, CH4, 水蒸气(H2O)，也可能有CO2, H2S等和少量H2。当时地球缺乏臭氧层的保护，太阳的紫外线辐射很强。 前寒武纪沉积岩薄片中存在类似细菌大小的微体古生物化石，经鉴定主要是一些细菌、蓝细菌（蓝藻）等。 最早的原核生物具有光合放氧的能力和抗紫外线辐射的能力。（四）真核生物的起源 原核生物出现于38亿年前； 真核生物化石不超过20亿年前。 真核生物细胞要比原核生物细胞复杂得多。“内共生假说”（1970，马古丽斯猜想）的实验支持（四）病毒的起源之谜l 病毒的类型： DNA病毒，RNA病毒，朊病毒。多样性表现在形状、大小、生活史、基因组含量、进化方式、与宿主作用方式。l 病毒的共性：是非细胞专性寄生，无ATP代谢系统；与细胞共用遗传密码。五、生物进化论1、 拉马克进化论强调环境的直接影响；器官用进废退；获得性遗传。高等动物的意志和欲望可促进进化。2、 达尔文学说1.遗传变异普遍存在，物种渐变。 2.繁殖过剩，生存斗争 个体之间,种群之间。3. 自然选择、适者生存 Darwin认为生存斗争与适者生存就是自然选择的过程。 达尔文进化论的不足：没有遗传学基础；没有提出隔离在物种形成中的作用。尽管如此，达尔文进化论具有里程碑的意义。2009，杰里.科恩著为什么相信达尔文在欧美很畅销。3、 现代综合进化论享有一个基因库的群体是生物进化的基本单位；物种形成和生物进化的机制包括基因突变、自然选择和隔离3个方面。 4、进化的动力在哪里？ 自然选择和遗传漂变是两种进化动力5、生物进化的证据化石记录 化石的重要性在于：第一， 作为证据，它为进化论做了慷慨激昂的辩护；第二， 第二，当发现过渡态物种的化石，它必定会出现所预测的地层位置； 第三，任何进化的改变，必然是基于旧特征塑造出的新特征。生物地理学证据生物地理学是研究物种地理分布的科学。正是生物地理学最早为Darwin提出的物种形成和生物进化提供了证据。生物种群的进化一方面受环境选择的作用，另一方面在一定的区系内进行。比较解剖学证据 对不同种群生物的个体解剖结构进行比较。同功器官；同源器官。 在一些不同种群生物中，某些器官即使行使不同功能，它们在解剖结构上也具有相同或相似性，反映出这些生物之间具有的亲源关系和从某个共同祖先进化来的轨迹。 退化器官痕迹、反祖现象。比较胚胎学证据 比较胚胎学即不同生物胚胎发育过程的变化研究也揭示了一些不同的生物是由同一个祖先进化而来的事实。 亲缘关系相近的生物在它们发育过程中有相同的发育阶段。（重演）分子生物学证据 第2讲 人类的起源与进化一、人类的原始祖先 在1735年，林奈建立了世界上第一个生物分类体系，根据解剖学的相似性，把人和猴子及猿归为一类，将人命名为“智人”（Homo sapiens），属于脊椎动物亚门、哺乳动物纲、灵长目、人科、人属。人类起源灵长类，猴子和猩猩是与人类共祖。 证据1 人类头颅形态的进化证据2 黑猩猩、南方古猿和智人大腿骨和牙齿排列的进化证据3-人类具有来自灵长类的十大退化特征 手掌抓握反射、阑尾、扁桃体、耳轮节（“达尔文结节”）、男性乳头、竖毛肌、尾椎骨、半月皱襞（相当于低等动物的第三眼睑）、鼻窦、智齿。 证据4：人类血红蛋白的进化 证据5：人类和黑猩猩的基因相似性二、 人类的进化 人类化石最早的是700-650万年前；历史上至少有 4个属 17种 人类物种先后出现，在180万年前的肯尼亚同时有四个物种生存于同一区域内。三、人类进化中的缺陷 四、现代人如何发展而来？ 1、种族差异种族：根据肤色、发型、鼻型等体质特征，人类通常被划分为4种 (亚种) 类型。高加索人（白）；格罗尼人（黑）蒙古人（黄）；澳大利亚人（棕） 人类特征差异的适应意义：虽然不同种族间在体型特征上差异明显，但基因差异是 微不足道的。人类的基因组差异：种族之间没有明显的基因差异的界线2、非洲起源学说和多地区起源学说 但非洲起源学说认为现代人类起源于10万年前非洲的第2次迁移，走出非洲以后完全取代了其它地区的古人种。6万年前来到东亚。 多地区起源学说又称独立起源假说，认为世界各地的人类是独立起源，即由各地的非洲直立人、海德堡人、尼安德特人（2.8亿年前在葡萄牙最后消失）、东亚直立人各自独立进化到现代人类的几大人种（亚种）。 3、人类仍然在进化 4、人类未来面临的两个困境 （1）未来人的新定义？ （2）人类的未来在哪里？第3讲 植物的多样性一、植物的概念 二界系统：动物界，植物界。 五界系统：原核生物界，原生生物界，真菌界，植物界，动物界。 五界系统中植物的定义：具有细胞壁和液泡，并以孢子繁殖的自养生物，及以种子繁殖的生物。二、植物的多样性（一）植物的物种多样性 植物总数 约50万种 被子植物 28-29万种 裸子植物 0.08万 蕨类植物 0.4万 苔藓植物 2.3万 地衣 2.6万 真菌 12万 (两界系统) 藻类植物 3万（二）植物的遗传多样性 自然植物类群中的种下单位 野生状态的种下单位：亚种、变种、变型 栽培与驯化：品种 人工栽培条件下的品种 太空育种等手段获得的新品种 转基因改造的“新物种”和新品种（三）植物的生境多样性 生物为了适应不同的环境，各种生物群落与环境构成了生态学功能单位，即生态系统。生态系统多样性是指生物圈内的生态环境、生物群落和生态过程的多样化过程。 植物具体生长的环境叫做生境。1、生境对植物形态的影响2、植物主动适应环境 适应自然环境 适应人工环境（作物与杂草） 从赤道到南北极 从赤道到高山 从陆地到湖泊及海洋（四）植物的营养方式多样性（五）植物的其他方面多样性植物的多样性不仅表现在物种、遗传、生境、营养方式等，还表现在分布、大小、习性、形态、结构、生活史、繁殖方式多个方面。 习性方面：草本、藤本、乔木（具过渡状态） 次生代谢物质方面：是资源植物和药用植物的基础三、生物多样性的价值与保护（一）植物、动物和菌类提供人类的生活资料（二）保障人类的健康 1.有益方面：疾病治疗；疾病预防与保健；娱乐、旅游与疗养 2.有害方面：致病微生物，寄生虫，有毒动植物。（三）改善我们的环境 生物多样性可维持生物圈的生态平衡 植被可调节气候、涵养水源、保持水土、净化空气 生物群落可净化水体、加速物质循环 生物群落利于农业、林业的害虫防治（四）生物多样性的保护生物多样性保护是以挽救生物多样性、研究生物多样性和持续、合理利用生物多样性为宗旨的理论研究与实践。1992年，联合国环境与发展大会，签署了生物多样性公约。保护途径：迁地保护、就地保护、种质基因离体保护。生物多样性是进化的结果 生物多样性是进化的结果，是生物与环境相互作用的结果。除了突变、重组、基因水平迁移、隔离、杂交和人工选育外，一方面，生物对环境的积极适应，并且影响着环境；另一方面，环境对生物产生选择压力和定向塑造作用，最终形成了丰富的生物多样性。 保护了生物多样性，就是保护人类自己。第4讲 动物的多样性一、生物多样性的概念生物多样性是指地球上一定地域和时间范围内所有动物、植物、菌类等一切生命有机体及其生存环境的多样化程度。生物多样性包括3个方面：物种多样性；遗传多样性；生态系统多样性（一） 什么是物种？ 物种是一群能够自然地成功交配的个体组成的群体，与其他类似的群体间出现了生殖隔离。注意：物种间的遗传差异，必须能够有效阻止自然条件下的交配；生物学种不适用化石；只适用有性繁殖的生物。（二）物种是如何形成的？ 突变、隔离、自然选择、杂交是物种形成主要途径。 异地物种形成不同环境的种群形成新物种的过程。 同地物种形成例如：非洲的维多利亚湖、马拉维湖、坦哥尼喀湖的丽鱼进化 自然选择的进化作用: 趋同适应-不同的生物生活在相似环境中，形成了相似的形态结构。 趋异适应相同或相近的生物生活在不同环境中，形成了不同的形态结构。自然选择不是进化的唯一动力 自然选择必须要求种群具备3个条件：（1）具备遗传差异性（遗传多样性）；（2）差异具备遗传基础（差异源于基因型变化）；（3）差异影响后代繁殖的有效性。 遗传漂变：基因（型）频率随着时间的随机改变。如血型或眼睛颜色或 DNA突变（中性突变）等。 区别：自然选择淘汰有害的等位基因，提高有益基因的频度；而遗传漂变完全是随机过程，不能创造适应性。二、动物的物种和遗传多样性物种多样性是指在一定地域和时间范围内，物种数量的丰富程度，可分为区域物种多样性和群落物种多样性。 （一）动物物种的多样性 动物的类群多样，种类繁多，共35门（41门）70余纲，约 350目，150 多万种。分布广泛，结构精巧而复杂，生活史非常复杂，许多具有发育变态，运动能力和行为习性多样。（二）动物遗传多样性种下单位亚种和品种 驯化满足6个必要条件：（1）足够的食物；（2）生长速度快；（3）繁殖周期短；（4）性情温顺；（5）不易受惊；（6）在驯养条件下交配繁殖。 人类历史上曾对148种动物进行了驯化，只有14种驯化成功（猫属于自我驯化，不属于人类驯化）。三、动物对环境的辐射适应 辐射适应动物为了扩大分布区，增加种群数量，提高后代存活率，最大限度利用各种资源，向多个方向进化。 1、陆地动物的辐射适应 2、水生动物的辐射适应 3、动物行为适应 4、繁殖行为与生活史的适应生物的结构与功能的适应“功能决定形态，形态适应功能”。 动物、植物的结构都反映出这一规律。 米瓦特先生对自然选择提出许多质疑，达尔文说： “理解甲壳动物原先仅用于移动的肢的末端一节和倒数第二节，怎么通过微小的变异发展成为螯的，则理解较为困难。”昆虫纲为什么能够进化为动物界最大的类群？ 1、世代短，环境作用频率高，容易发生突变； 2、具变态，营养生长与繁殖分离，生境利用最大化； 3、个体小，减少食物竞争，提高环境容纳量； 4、食性广，口器多样，占据更多生态位； 5、繁殖率高，成活率高，种群数量大； 6、性别分化多样，可群居社会分工，具孤雌生殖现象； 7、可飞行，拓展生存空间，便于交配； 8、具发达附肢与外骨骼，及保护色，适应环境能力极强； 9、习性多样，水陆广布，生活史极其复杂； 10、具超冷和滞育现象，可抵抗恶劣低温环。四、人类与动物的关系（一）动物与人类生产生活的关系 （略）（二）动物是传播花粉和果实的使者（略）（三）科学研究的材料模式生物（四）人类健康与动物的关系 动物药材 动物休闲娱乐 由动物引起的致死致伤 由动物引起的疾病（五）善待动物和保护动物 1、善待动物动物伦理学（动物有情感，与人平等） 2、保护动物科学利用，防止绝灭，维持生态平衡人类引起物种灭绝的机制小种群容易导致遗传多样性丢失和随机灭绝 栖息地减少、片断化和环境污染 对易灭绝物种缺乏了解 外来物种的入侵 过度利用第5讲 生命的能量环境一、生命能量代谢的特点 生命能量的本质为化学能，能量的传递、转化的形式ATP; 生命获得能量途径为光合磷酸化，氧化磷酸化，无氧呼吸，氧化磷酸化解偶联；环境温度直接影响生命能量的代谢速率 二、生命的能量环境 环境是直接或间接影响某一特定生命体生存的一切事物的总和。 生态因子：环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响的环境要素，如温度、湿度、食物、氧气等。 生态因子的分类：气候因子、土壤因子、地形因子、生物因子、人为因子。 生态因子的3要素：大小（数量）、质量、性能 环境的类型 根据性质：自然环境、半自然环境和社会环境根据范围：宇宙环境、地球环境、区域环境、微环境和内环境根据因子作用：物质环境、能量环境。生物对环境的适应 趋同适应亲缘较远的不同物种适应相同或相似环境，形成了相似的形态外貌（生活型，常绿植物、落叶植物）。 趋异适应亲缘相近或相同的物种长期适应不同的环境，形成了不同的形态外貌或生理上出现差异（生态型，水稻的趋异适应）。三、光的生态作用规律 光的变化规律（自学：年变化，日变化） 一、光对植物的作用 二、光对动物的作用光是控制植物生长发育的最重要的环境因子植物感受光周期刺激的部位是叶片的实验植物体黄化和花的诱导 光照条件下，胞内的原叶绿素酸酯还原成为叶绿素酸酯，后者进一步形成叶绿素；黑暗条件下，不能合成叶绿素，表现为植物体黄化。 光是重要的环境信号，可以调控组织的分化和器官的发育。光对植物的成花诱导（成花素）是最为典型的现象。光对动物的信号作用 根据恒温动物的繁殖分为： 长日照动物在春夏交配繁殖，鸟、兽 短日照动物在秋交配繁殖，山羊、鹿 无光周期反应家鼠、猪 昆虫对光周期的反应 长日照昆虫玉米螟、棉铃虫、瓢虫 短日照昆虫家蚕、小麦吸浆虫 中间型昆虫桃小食心虫 无光周期反应苹果舞毒蛾、丁香天蛾四、温度的生态作用规律地球上温度变化规律（自学） 温度对生命影响的本质（酶活性） 动物和植物对温度环境的适应 生物适应温度变化的规律温度对动物的影响 根据血液温度高低：温血动物/冷血动物 根据血液温度变化：常（恒）温动物/变温动物 据血液温度（能量）来源：内温动物/外温动物动物对极端温度的主动适应 动物休眠冬眠；夏眠。 冬眠处在休眠（代谢率最低，体温最低1 ）状态过冬(有冻死的)。 夏眠处在昏睡（维持基础代谢，体温接近正常）状态渡过高温或缺水夏天。 恒温动物的休眠真冬眠和假冬眠。真冬眠代谢降低，体温高于环境1-2，当到0 时，褐色脂肪团颤动产热会激醒动物，以免冻死。（黄鼠，蝙蝠）假冬眠深睡，体温变化不大，体温略低（熊，臭鼬）生物学零度与积温 生物学零度各种生物都有一个代谢活动的最低温度。低于该温度生物受到伤害。香蕉18 积温在生物某发育阶段或生活史，逐天的温度累计值。（1）活动积温大于0 的积温。（2）有效积温大于生物学零度的积温。 K = N (T-C) 积温定律：每种生物某发育阶段或生活史，需要的有效积温是个常数（固定值）。 如何求C 值？ 根据 K1= K2 得到 N1(T1- C) = N2(T2- C)春化作用变温与植物生长: 植物生长,植物开花,植物种子萌发,块根和块茎的生长,提高产品的品质,变温与形态（紫罗兰叶恒温时全缘，变温时缺刻）,变温与生态分布（郁金香喜变温；但红杉喜恒温物候与物候定律 物候生物长期适应原产地的气候条件，形成了与此相适应的发育节律。生物对温度适应的3个定律 Bergman 定律：同种恒温动物的身体，在寒冷地区个体大，在温暖地区个体小。如：野猪，老虎 Alen定律：同种恒温动物的突出部分，在寒冷地区小，在温暖地区大。如：北极狐、赤狐、非洲大耳狐 Jordan定律：水生同种脊椎动物，在寒冷水域个体大，在温暖地区个体小。归纳生命的能量环境 生物对体外能量环境的适应策略：形态、颜色、行为、繁殖、生活史。 生物对体内能量环境的适应策略：组织结构、生理生化、体制与寿命、主动调节机制。 生物从不浪费能量，达到最经济、最优化利用能量。 能量在生命的各个层次中都发挥重要作用，并遵循热力学第一（守恒）和第二定律（熵律）。第6讲 生命的物质环境一、水与生物对水环境的适应 1）汽态水：来自地面和水面的蒸发，以及植物的蒸腾作用。其表示方法有4种： 水汽压（e）：指大气中由水汽所产生的分压力，称水汽压，是大气压的一部分，用mmHg或mb表示。因为大气中水汽的含量与温度有关系，所以，水气压会随大气的温度变化而改变。 绝对湿度（a）：指1m3大气中所含水的克数，用g/m3表示。当绝对湿度用g/m3，而水汽压用mmHg表示时，两者的数值相近似。当环境温度t=16.40C，a=e。 相对湿度（R）：指大气中的实际水汽压（e）与最大水汽压（E）之比，常用百分比表示。R = e/E。相对湿度与环境温度成反比。相对湿度越小，空气越干燥。 饱和差（d）：用最大水汽压和实际水汽压的差值表示，既d = E-e；意思是距大气饱和程度还差多少水量，单位用mm表示。环境温度与最大水汽压成正比；所以，在相同大气体积和等量水分时，温度降低，饱和差减小；温度升高，饱和差增大。 露点空气中水汽达到饱和时的温度，可以在零上，也可以在零下，取决于大气相对湿度。 动物的水分平衡l 水盐平衡的调节 陆生动物主要靠控制饮水和失水来调节体内的水盐平衡。水生动物有调节体内水盐平衡并稳定内环境的特殊机制 植物体的水分平衡 植物水分外逸：吐水与蒸腾 植物的气孔蒸腾 与 角质蒸腾 根、茎、 叶的水分平衡二、大气环境对生物的影响 地球上的大气圈 对流层的生态作用 盖雅假说（ Gaia） 氧分压对生物有机体的影响 微风有利于植物的生长（略） 防风林的结构与效果（略）风的类型 季风由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风，称为季风 海陆风由于海面和陆地之间的昼夜热力差异而引起，白天由海面吹向陆地的风，称海风，夜间由陆地吹向海面的风，称陆风。 山谷风白天，山下吹向山顶；夜晚，山顶吹向山下。冷湖现象（喜温作物栽植方法，作物品质） 城市风由郊区吹向市区。 台风和飓风。台风与飓风 “台风”和“飓风”都属于北半球的热带气旋，在大西洋或东太平洋发生，中心风力达到十二级或以上的热带气旋，称为飓风。至于在西太平洋上发生，达到同样强度的热带气旋，则称为台风（国际日期变更线以西）。 在北半球，台风呈逆时针方向旋转，而在南半球则呈顺时针方向旋转。 10-11级的是强热带风暴； 8-9级的是热带风暴； 小于8级的是热带低压。（天气预报术语） 盖雅假说 地球表面的温度、酸碱度、氧化还原电位势及大气的气体构成等是由生命活动所控制并保持动态平衡，从而使得地球环境维持在适合于生物生存的状态。包含5个层次的含义： 地球上的各种生物有效地调节着大气的温度和化学构成； 地球生物影响了环境，而环境又反过来影响着生物进化过程，两者共同进化； 各种生物与自然界之间主要由负反馈调节，从而保持地球生态的稳定状态； 大气能保持在稳定状态不仅取决于生物圈，而且在一定意义上为了生物圈； 各种生物调节其物质环境，以便创造各类生物优化的生存条件。三、土壤环境中的科学问题土壤陆地表面由矿物质、有机物质、水、空气和生物组成，具有肥力，能生长植物的未固结层。 土壤的类型 根据土壤形成条件、成土过程、土体构型、土壤属性和肥力特征的异同，进行类比和区分。通过分类构成一个由不同分类单元组成的土壤分类系统，以反映各类土壤间发生上的联系和地理分布上所处的地位。 世界上许多国家都有自己的分类系统，按照界、门、纲、目、科、属、种逐一划分。 地带性土壤；非地带性土壤（如冲积土）。 土壤有机质 （1）概念：指位于土壤中的动物和植物的新鲜组织及残体、腐烂分解产物，以及微生物重新合成的物质。 （2）土壤有机质的来源与组成： 来源：植物；土壤动物与微生物； 组成：土壤有机质是各种不同物质的复杂体系，新鲜的有机质、半分解的有机质、腐殖质、简单的有机化合物（糖类、脂肪酸、氨基酸、醇、酚等）。 （3）分类：腐殖质微生物利用死亡有机体的腐烂分解产物重新合成的大分子物质，主要是富里酸和胡敏酸；非腐殖质动物和植物新鲜组织和半分解的残体、腐烂分解产物，主要是碳水化合物和含氮化合物等。 （4）腐殖质的作用：具有凝胶特性，遇水稳定，形成的土壤颗粒具良好的保肥保水能力；被微生物分解后是植物营养源（碳源和氮源）；为土壤中异养微生物提供营养；促进种子萌发和根系发育，是一种植物生长激素；有利于植物体糖类合成和磷的吸收。 （5）非腐殖质的作用：a.植物碳素营养主要来源，分解后以二氧化碳进入大气，被植物利用；所以，可补充大气二氧化碳。（森林是一个碳库）b.植物氮素重要来源，分解产物是氨基酸和酰胺，可溶于水直接被植物利用；1/3不溶于水氨，经过转化为有效氮后，才被利用。c.其他矿质元素来源，有机磷是植物磷素主要来源，最多的是植酸钙镁，分子式：Ca5Mg(C6H12O24P63H2O)2 ，被根系直接吸收。土壤污染 当排入土壤系统的“有害”物质破坏其原来的平衡，引起土壤系统成分、结构和功能的变化而发生土壤污染。 土壤污染的主要途径： 1、农业生产污染施用化肥、农药、除草剂、灌溉等； 2、土壤作为废物的处理场所； 3、土壤承接大气和水体污染物的迁移转化。土壤净化功能 土壤中的污染物，经过生物和化学降解变为无毒害的物质，以及通过化学沉淀、络合和螯合作用、氧化还原作用变为不溶性化合物，或被土壤胶体牢固地吸附，植物难以利用而暂时退出生物小循环，脱离食物链或排至土壤之外。生命的物质环境重要性 生命的物质组成； 生命的物质代谢（水、气、食物）； 生命体的运动空间与介质； 生命的物质环境的动态性、整体性与系统性； 保护生态环境的意义是不言而喻的。第7讲 种群的特征与增长一、Population概念 种群（population）或称居群，是指在特定时间内分布在一定空间范围内、可自由交流基因的同一物种所有个体的集群。它是介于生物个体与生物群落之间的一个客观存在的生物学基本单位，具有自己独特的结构组成、生物学特征和功能。 物种是一个分类学单元，是一个遗传繁殖单元。种群是物种生存、物种进化和种间关系的基本单元二、种群的三大基本特征1、数量特征 数量大小 数量变动 最适宜的种群大小 种群暴发 种群绝灭 环境要求的最小种群阿利氏定律：每个种群都有一个最适合大小的种群数量，过大或过小，都不利于种群的发展。动物的性比性比（sex ratio）种群中雌性个体与雄性个体比例参数 第1性比受精卵的性比 第2性比幼体到性成熟时的性比 第3性比充分成熟的个体的性比种群统计中的生命表 生命表（life table）是描述死亡过程的有用工具。生命表开始出现在人口统计学，至今在生态学上已广泛应用。有关人的生命表文献很多，但动、植物的生命表较少。生命表能综合判断种群数量变化，也能反映出从出生到死亡的动态关系。生命表的种类 动态生命表是根据观察一群同时出生的生物之死亡或存活动态过程所获得的数据编制而成，又称同龄群生命表、水平生命表或称特定年龄生命表。 静态生命表是根据某个种群在特定时间内的年龄结构而编制的。它又称为特定时间生命表，或垂直生命表。2、空间特征 分布式样 生物学特征与分布式样 单体生物与构件生物（植物种群和少数动物具有个体的遗传单位和个体之上的构件单位草莓、竹子、水螅） 生态环境资源的利用谱种群空间分布类型 S2= (x-m)2/(n-1) n样方数；x每样方的个体数；m各样方的平均数 S2 =0或1 均匀型 S2 m 集群型 S2 m 随机型空间环境差异导致生态型 生态型一个物种的一群个体对某一特定生境发生基因型反应而产生新的遗传类群。 表现形式：（1）广布种在形态学和生理学特征上表现出空间的差异；（2）种内的差异与特定的环境相联系；（3）形态学上的变异是有遗传学基础的。生态型是生态适应，对环境的反应，可以有形态差异，也可没有形态差异，是生态学概念。亚种是形态、地理、历史的分类学概念，有地理隔离和形态学上的区别。地理变异与地理亚种 地理变异（geographical variation）广布种的形态、生理、行为和生态习性，往往在不同地区或不同种群间有显著差异。例如，Bergman定律，Allen定律。 地理亚种（ geographical subspecies）环境选择压力的变化有时是连续的，有时是不连续的，生物对这种选择压力的生态适应也有2类，前者是渐变群，而后者则是地理亚种。3、遗传特征 遗传结构 基因频率；基因型频率 哈迪-魏伯格定律 遗传漂变 瓶颈效应 奠基者效应群体遗传学的研究范畴 Population biology = popul. ecology + popul. genetics 基因库指种群中所有个体的全部基因的总和。 基因频率种群中某等位基因的其中一个基因数，占该等位基因总数的百分比。a/(a+A）, A/(a+A)基因型频率在种群某等位基因的所有基因型中，其中一个基因型个体数，占总个体数的百分比。Aa/(aa+AA+aA) aa /(aa+AA+aA) AA /(aa+AA+aA) Hardy-Weinberg law哈迪-魏伯格定律在一个足够大的种群里，自由交配，没有干扰，那么，基因频率和基因型频率在各代中始终保持不变。（即种群遗传平衡遗传漂变 遗传漂变（genetic drift）在较小的种群中，遗传结构很可能发生偶然变化，使得某基因或基因型从种群中消失，导致基因频率发生随机增减的现象。 变异是自然选择的基础如果生物个体在形态、生理、行为上没有区别，也就没有存活能力和生育能力的差别，自然选择没有基础三、种群的增长规律与调节 植物的繁殖营养繁殖、无性生殖、有性生殖。动物的繁殖营养繁殖、孤雌生殖（无性生殖）、卵生、卵胎生、胎生（一）种群增长的规律 l 指数增长模型在没有限制的指数增长中，增长速度（G）与个体数量（N）成正比，也就是说，个体数量越大，增长速度越快。指数增长模型只是一种理想的状态（二）种群数量的调节 种群数量的变动因素来自外因和内因。 外源性调节理论 非密度制约的气候学说（例子：玫瑰花上的蓟马） 密度制约的生物学派（例子：田鼠）内源性调节理论 （1）社会性交互作用调节学说（社群等级，领域性等行为，使资源合理分配，排除一些个体，种群稳定。） （2）病理效应调节学说（种群上升，个体压力大，代谢紊乱，器官病变多，死亡增加。） （3）遗传调节学说（环境宽松时，变异增加，弱个体存活；环境正常，选择加大，淘汰弱个体。） 内源性理论特征：调节是物种对环境的适应性反映；强调个体间的差异对种群的作用；种群的初级参数是受密度制约的。第8讲 种间关系揭秘一、种内关系的多样性 种群内部各个体之间存在着竞争或协同等多种多样的关系，既保持个体的利益，又兼顾群体的利益，维持着种群的生存和发展，是群落中种间关系的基础。种内关系状况由该物种的生物学特性和环境决定的。种内关系的类型 种内竞争密度效应（植物种群的产量恒值法则，-3/2自疏法则） 分摊竞争（资源平均分配，同甘共苦） 种内捕食（黄鳝） 植物自毒（干扰）作用豌豆，西瓜 领域性与社会等级 种内互助(负竞争，企鹅)与利他行为二、复杂的种间关系揭秘 种间关系类型6种（一）竞争关系Lotka-Volterra竞争模型 当两个不同种群生活在一起，竞争常是必然的。竞争系数的大小，对于一个种群的竞争能力或竞争结果起着重要作用。 设是种群2对种群1的竞争系数； 是种群1对种群2的竞争系数。植物他感作用 定义：Rice(1984):一种植物产生的化学物质，释放到环境中，对另一种植物产生了直接或间接的影响。 他感作用的机制：苯丙烷、多聚乙酰、类萜类、甾类、生物碱。 他感作用在自然与人工生态系统中的意义： （1）农业；（2）林业；（3）农林系统；（4）植被模式；（5）植被演替。（二）捕食关系 （一）捕食者与猎物各自单独生长的情况 （二）捕食者与猎物相遇情况下增长模型 猎物种群在没有捕食者的情况下，是按照指数增长： dN/dt=r1N（r1 为猎物的瞬时增长率，N为猎物数量）； 而捕食者在没有猎物的情况下，则是按照指数下降： dP/dt=-r2P（r2 为捕食者的瞬时增长率，P为捕食者数量）。 设为捕食者对猎物的捕食效率，为捕食者利用猎物的营养转化为捕食者的增长常数，修正后的方程是： 猎物种群变化的方程：dN/dt=r1N-PN 捕食者种群变化的方程：dP/dt=-r2P+PN （三）种间数量周期动态捕食者与猎物协同进化的不对称性 猎物的世代比捕食者的要短。 捕食者的密度小于猎物的密度。 根据“活命饱餐”理论两者的压力不同。 捕食者多数以多种猎物为捕食对象。 捕食者有避稀效应。 在捕食中，猎物的一般性防御出现较早。（三）其他种间关系1、互利共生 行为上的互利共生裂唇鱼与笛鲷；响蜜列与食蜜獾 种植或饲养的互利共生切叶蚁与真菌；人类与农作物 传粉的的互利共生萝摩科；兰科 动物消化道的互利共生白蚂蚁与鞭毛虫 高等植物与真菌的互利共生菌根 生活在动植物组织的互利共生蟑螂脂肪体与细菌；满江红与鱼腥藻三、种内与种间关系的矛盾与和谐 在单一种群情况下，仅是种内关系，有竞争或互助。 在两个以上种群同时存在的时候，种间关系上升为主要矛盾，种内关系降为次要矛盾。 在群落中，种内和种间两种关系共存，通过调整和改变生态位，降低种间矛盾，实现种内与种间关系的和谐。第9讲 群落的结构与演替一、生物群落的概念 生物群落Bio-community在一定的时间和空间范围内，由各种生物种群组成的集合体。 生物群落包括动物群落、植物群落Plant Community、微生物群落。一般的研究多属于植物群落。植物群落的基本特征 1、具一定的种类组成（物种多样性）； 2、具形态结构（物理结构）、营养结构（营养关系）、生态结构（生活型）、季相； 3、形成群落环境（外部、内部）； 4、种群间相互影响（竞争、生态位）； 5、具动态发育特征； 6、具分布规律（水、热）和特定范围（植被带）； 7、应该有明显的边界？二、植物群落的种类组成 群落分析方法样地在群落内部比较典型的自然地段。样方能够反映群落组成的最小面积。最小样方： （亚热带）优势种与建群种 优势种指群落各层中数量多、体积大、盖度大的种群。 建群种对群落的结构和环境起决定作用的种群，或称关键种。（海星贻贝；龙虾球海胆海藻） 优势种不一定是建群种；建群种不一定是优势种。物种的多样性 生物多样性在一定地域或空间范围内，生物种类数量和环境的多样化程度。（3个层次：物种的；遗传的；生态系统的） 群落的物种多样性是指群落中物种的大小、密度、分布格局的综合特征。（包括物种的丰富度和均匀度的综合指标。例如：99+1；50+50）物种多样性指数辛普森指数：Simpsons diversity index 随机取2个样品，属于不同物种的概率 = 1 随机取2个样属于相同物种的概率。 香农-威纳指数：Shannon-Wieners diversity indexH = - pilog2pi描述某种出现的不确定性，不确定性越高，则多样性程度高。三、植物群落的结构与影响因素 （一）垂直结构（物理结构） 森林植物群落分4层 动物群落分层 水生生物群落分层（二）植物群落的水平结构 空间异质性环境质量的不均匀性导致的。 植物群落的镶嵌性，复合性。（三）植物群落的时间结构 群落的外貌由群落的建群种所表现出来的物理特征。 群落的季相由于季节的变化，出来不同的外貌。（四） 植物群落的生态结构生活型：是趋同适应的结果。（芽是最敏感的）生活型分类：高位芽植物，地上芽植物，地面芽植物，地下芽植物，一年生植物（五）影响结构的因素 1 同资源种团等价种，生态位近似，利用资源方式相同。 2 绞杀干扰的作用，林窗“林隙”作用； 3 空间异质性； 4 竞争和捕食关系的影响； 5 热带雨林神奇现象背后的生物学机理？多样性空间变化及影响因素 经纬度的变化 海拔的变化 水体的变化 影响因素：时间、空间、气候、生产力、竞争、捕食四、植物群落的演替 原生演替是从没有任何繁殖体的土壤基质中（原生裸地），发育成为一个群落的过程。 一般模式：地衣苔藓蕨类或草本种子植物木本植物 例外：原生演替可以从苔藓或蕨类或草本植物开始，要有共生菌的参与。次生演替 次生演替从次生裸地上发育起来的群落演替过程。 一般模式：蕨类植物或草本植物木本植物。（如：撂荒地） 例外：可以从阳性树种开始。（如：建群种的死亡）第10讲 生物区系地理学一、生物区系地理学概念 生物地理分布(geographical distribution)的概念 生物地理分布的研究主要是随同分类学而进展的，结果是把自然环境的地理差异也同时考虑进去而确定生物分布的地理区域。研究领域有生物分类地理学、生物区系地理学等等。关于植物方面，由恩格勒（AEngler，1879）和动物方面由华莱士（ARWallace，1878）首先集其大成。 生物地理学（biogeography）是生物学和地理学间的边缘学科。研究生物在时间和空间上分布的一门学科。即生物群落及其组成成分，它们在地球表面的分布情况和及形成原因。研究生物的地理分布以及和它相关的各种问题的科学。 生物地理学分为：生物区系地理学、生物系统地理学、历史生物地理学。 生物区系地理学是研究过去和现在生物分布区和物种多样性（丰富度）的科学。地质和地层年代关系 全球范围 地方 地质年代 地层年代 岩性地层单位 宙 宇 大群 代 界 群 纪 系 组 世 统 段 期 阶 层二、化石能够告诉我们什么？化石仅存在于沉积岩里（火成岩、变质岩、沉积岩） 化石的重要性在于： 第一，作为证据，它为进化论做了慷慨激昂的辩护； 第二，当发现过渡态物种的化石，它必定会出现所预测的地层位置； 第三，任何进化的改变，必然是基于旧特征塑造出的新特三、植物的世界地理区系（一） 古热带植物区又称旧热带植物区，包括非洲中南部、马达加斯加、印度马来西亚及波利尼西亚等。本区北连泛北极植物区，南接南极植物区，东西为新热带植物区和澳大利亚植物区，好望角植物区在本区南部，为世界陆地上第二大植物区。植物区系特有科属较多，组成本区的热带雨林、季雨林和稀树草原。在40多个特有科中，最著名的有苏铁科，猪笼草科、龙脑香科、鞭藤科、露兜树科、大花草科、姜科、兰科、芭蕉科等。古热带植物区的植物特征本区终年炎热多雨，季节变化不明显，植物全年生长，且气候条件在很长的地质时期内几乎无多大变化，故植物区系种类十分丰富，约46000种以上。本区植物除具泛热带和古热带成分外，在北部的高山上还有泛北极植物区的成分，在南部具有好望角植物区的成分和泛南极植物区成分及澳大利亚植物区成分。马达加斯加的植物很特殊，有6770种植物，其中89%是特有种，还有3个特有科，如旅人蕉科。夏威夷群岛的植物区系也特殊，在705种植物中，92%为特有种，并且这里没有裸子植物。（二）新热带植物区该区包括佛罗里达最南部、中美洲、南美洲的大部（至南纬30）及附近热带岛屿。该植物区物种丰富，超过40000种，该区的特有科、特有属、特有种都很丰富，主要有膜蕨科、红木科、仙人掌科、凤梨科、旱金莲科、美人蕉科等25个特有科。（三）好望角植物区 也称开普植物区，位于非洲南端沿海的一个狭窄地区，其北界沿奥兰河延伸，东以德拉肯斯堡山脉为界，长约800 km，宽约80 km。该区气候与地中海两岸相似，植被以常绿硬叶灌木占优势，有非常丰富而独特的植物区系，有7个特有科、210个特有属，以及6000多种植物，其中90%是特有种。区系成分与非洲热带及南半球其他遥远大陆如澳大利亚等植物区系有联系。由于水热条件好，发育出许多奇特美丽的植物，堪称是世界观赏植物的