[农学]保护生物学课程绪论.ppt
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1、保护生物学 Conservation Biology,甘肃农业大学生命科学技术学院 刘发央,主要参考书,1、马克平主编保护生物学 2、保护生物学基础 3、马克平主编生物多样性,保护生物学课程,主讲:刘发央 第一章 绪论 第二章 遗传多样性 第三章 物种多样性 第四章 生态系统多样性 第五章 异质种群动态 第六章 种群生存力分析 第七章 生物安全 第八章 濒危动物的非损伤性DNA检测,第九章 影响生物多样性演化的宏观因素 第十章 物种与物种的形成 第十一章 物种的灭绝机制 第十二章 物种编目、濒危等级和保护优先序 第十三章 保护区与国家公园 第十四章 物种的迁地保护 第十五章 国际环境保护条约和
2、中国环境保护立法。,Chapter one General introduction,在众多学科中一门新的 学科保护生物学脱颖 而出,成为自然科学家、 社会科学家与人文科学家注目的焦点。与此同时,在大众媒介中,“生物多样性”一词也在媒体的传播中成为家喻户晓的名词。生物多样性的确切含义是什么?生物多样性的价值何在?何谓保护生物学?保护生物学与生物多样性之间存在何种内在联系?这些是深入探讨保护生物学之前必须明确的问题。,一、保护生物学与生物多样性,延续性与多样性是生命的 两大基本特征。生命的延续 性指地球上的生命形式从低 级到高级、从原始类型到复 杂类型,都具有自我复制、 繁衍再生的能力。 生物多
3、样性是生物及其与 环境形成的生态复合体以及 与此相关的各种生态过程的总和, 包括动物、植物、微生物和它们所拥有的基因 以及它们与其生存环境形成的复杂的生态系统。,生命系统是一个等级系统,包括多个层次或水平分子、基因、细胞、组织、器官、物种、种群、群落、生态系统、景观。每一个层次都具有丰富的变化,即都存在着多样性。但在理论与实践上较重要、研究较多的主要有基因多样性(或遗传多样性)、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性。现在人们往往把生物多样性视为生命实体本身,而不仅仅看作是生命系统的重要特征之一。,景观多样性是指不同类型的景观在空间结构,功能机制和时间动态方面的多样化和变异性。景观要素可分为斑
4、块,廊道和基质。斑块是景观尺度上最小的均质单元,它的大小、数量、形态和起源等对景观多样性有重要意义。廊道成线状或带状,是联系斑块的纽带,不同景观有不同类型的廊道。基质是景观中面积较大,连续性高的部分,往往形成景观的背景。 人类文化的多样性也可被认为是生物多样性的一部分。正如遗传多样性和物种多样性一样,人类文化的一些特征表现出人们在特殊环境下生存的策略。,遗传多样性指生物体内决定性 状的遗传因子及其组合的多样性, 它决定其他两个层次的生物多样 性。生物遗传的物质基础是脱氧 核糖核酸(DNA)或核糖核酸 (RNA)。一个哺乳动物的一个 单倍基因组约有3109个核苷酸对,相当于300万个基因(刘祖同
5、 1991)。每个基因都可能参与形状控制,或是一个基因起主导作用,或是多个基因协调控制一个形状。同一个基因位点可能存在着多个等位基因,这些等位基因可以分离重组,于是产生了丰富多样的基因型。另一个方面,基因可能发生突变,例如,一个人类基因位点的突变率为十万分之一。基因突变增加了遗传多样性。由于遗传学研究生物的遗传变异,因此保护生物学与遗传学有着密切的关系。但保护生物学研究者更关心物种中基因位点杂合度、近交和杂交引起的物种进化适合度的变化以及小种群中的遗传多样性的变化等等。,种内的多样性是物种以 上各水平多样性的最重要 来源。遗传变异、生活史 特点、种群动态及其遗传 结构等决定或影响着一个 物种与
6、其他物种及其环境 相互作用的方式。而且, 种内的多样性是一个物种对人为干扰进行成功反应的决定因素。种内的遗传变异程度也决定其进化 的潜势。所有的遗传多样性都发生在分子水平,并且都与核酸的理化性紧密相关。新的变异是突变的结果。自然界中存在的变异源于突变的积累,这些突变都经受过自然选择。一些中性突变通过随机过程整合到基因组中。上述过程形成了丰富的遗传多样性。, 遗传多样性的检测方法:随着生物学,特别是遗传学和分子生物学的发展而不断提高和完善,从形态学水平、细胞学(染色体)水平、生理生化水平逐渐发展到分子水平。从形态学或表型形状上检测遗传多样性是最经典也是最简便易行的方法。通常所利用的表型形状主要有
7、两类,一是符合孟德尔遗传规律的单基因形状,另一类是根据多基因决定的数量形状。染色体多态性主要从染色体数目、组型及其减数分裂时的行为等方面进行研究;蛋白质多态性一般通过两种途径分析,一是氨基酸序列分析,一是同功酶或等位酶电泳分析,后者应用较为广泛。DNA多态性主要通过RFLP(限制性片段长度多态性)、DNA指纹(DNA fingerprinting)、RAPD(随机扩增多态DNA )等技术进行分析。,物种多样性是指一定 区域内物种的多样化及 其变化,包括一定区域 内生物区系的状况(如 受威胁状况和特有性等 ),形成、演变、分布 格局及其维持机制等。生态学中的 物种多样性则是对生物群落组织化 水平
8、的度量,与此处的物种多样性 即生物多样性物种水平的多样性有所不同。,物种是一级生物分类单元,代表一群形态上、生理上、生化上与其他生物有明显区别的生物。通过这群生物之间可以交换遗传物质,产生可育后代。如果说遗传多样性损失常常是人们肉眼所不可见的,那么,物种灭绝是人们所能看见的,是引起人们警觉的现象。但是,由于物种数目繁多,许多物种在人们开展研究之前就可能已经灭绝。目前已记录的生物物种为140170万种,其中一半以上的物种分布在热带地区。据E.O.Wilson 1992的统计资料,目前全球已纪录的生物为141.3万种,其中昆虫75.1万种,其他动物28.1万种,高等植物24.84万种,真菌6.9万
9、种,真核单细胞有机体3.08万种,藻类2.69万种,细菌0.48万种,病毒0.1万种。估计全世界生物总数在200万种至1亿种之间。因此,分类学家在物种分类和编目方法面临着艰巨的任务。,物种多样性的测度有多种方法,但一般多采用物种丰富度指数(species richness index),即一定区域内物种的数目来测定。在此基础上,还应尽量考虑物种质量特征。首先,物种之间亲缘关系的远近也表明一种“距离”或差异,从另一方面反映多样性的程度,如一个有2种蛇和一种鸟的岛屿的多样性应高于一个只有3种蛇的岛屿,即考虑分类学多样性。其次,由于不同生物类群的研究基础有很大差异,实践中往往选择易于鉴定且意义较大的
10、类群进行测度,而不可能包括所有的生物类群。一般先选择维管束植物、哺乳动物和鸟类,然后选择其他脊椎动物、大型无脊椎动物、苔藓、地衣、藻类和真菌等,很少包括土壤生物在内。此外,物种多样性测度还应考虑不同物种量的差异,即物种的相对多度。,对大多数生物类群而言,物种丰富度指数在空间上表现出从两极向热带不断增加的规律。物种多样性还受到当地地貌、气候和环境的影响,同时也会打上地质历史变迁的烙印。一般说来,热带雨林、珊瑚礁、大型的热带湖泊(甚至可能包括深海)是物种多样性最丰富的生境。 物种之间存在着相互作用(种间关系),如猞猁与兔子之间的捕食关系,虱子与兔子之间的寄生关系,根瘤菌与豆科植物的互惠共生关系等等
11、。物种之间相互依存,形成一个功能整体,称之为生物群落。生物群落的多样性主要指群落的组成、结构和动态(包括演替和波动)方面的多样化。从物种组成方面研究群落的组织水平或多样化程度的工作已有较长的历史,方法也比较成熟。物种多样性只是时间流生物群落中物种集中的一个横截面。当生态环境或内部结构变化时,生物群落中的物种组成,即物种多样性会发生变化,最终导致整个生物群落的动 、植物组成成分更换,这一过程称之为演替。,除了在生态时间尺度内生物多样性会变化以外,在地球上不同的生态地理环境中,由于太阳辐射、降水、氧分压、蒸发强度等因素的差异,发育着不同的生态系统:如冻原、北方针叶林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、热带雨
12、林、高山草原和荒漠等。这种物种集合的空间多样性称为生态系统多样性,即生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化以及生态系统内生境差异、生态过程变化的多样性。 生物多样性是生命系统的基本特征。生物圈的结构和功能取决于生物多样性的状态。以遗传杂合性下降为表征的遗传多样性损失,可能降低物种的生存力。物种灭绝使物种多样性降低。物种多样性和生态环境变化又影响生态系统多样性。因此保护生物学与生物多样性密切相关,从某种意义上说,保护生物学是研究生物多样性保护的科学,即研究从保护生物物种及其生存环境着手来保护生物多样性的科学。,森林生态系统,草原生态系统,草原生态系统,湿地生态系统,苔原生态系统,荒漠生态系统,
13、二、保护生物学的概念,(一)保护生物学的概念 保护生物学(conservation Biology)是研究生物多样性的科学。保护生物学所研究的对象既包括生物有机体、种群和群落,也包括生物的栖息地。关于保护生物学的概念不同的学者有不同的概念。 蒋志刚(1997):保护生物学是研究从保护生物物种及其生存环境着手来保护生物多样性的科学 肃雷(1985):研究直接或间接受人类活动或其他因子干扰的物种和群落和生态系统的生物学。 陈道海和钟炳辉(1999):保护生物学是研究保护物种,保存生物多样性和持续利用生物资源问题的科学。,保护生物学也涉及到社会科学问题。环境保护法、野生动物保护法是保护生态环境、保护
14、珍稀濒危物种的法律依据。制定这些法律需要保护生物学的研究。物种数量和分布在不断地变化,野生动物保护法也需要根据物种监测数据及时修订。中国少数民族多生活在自然环境相对保存完好的地区,依赖自然资源提供必需的生活物资,因此,他们管理、保护和开发生物资源的经验值得总结提高。草原法、森林法、土地法等。,保护生物学是一门决策科学。为了保护自然,减缓物种灭绝,人们依据保护生物学原理每时每刻都在作出管理决策。保护生物学家通过物种多样性的编目监测,建立生物多样性地理信息系统,为宏观管理决策提供信息,以保存物种,保护生物多样性和自然环境。这些管理决策大至省级、国家级自然保护区的设计及濒危物种保护等级的确定,小至一
15、批野生动植物产品的出境贸易许可证的颁发等等。因此,保护生物学的研究和应用是紧密相关的两个环节。研究为保护提供信息,应用又为保护生物学研究提出了新的课题。如此循环,保护生物学得以发展、走向成熟。,保护生物学研究是为了保存不同环境中的生物多样性,保存物种的进化潜力。实际操作时,人们又常常以简单的手段来调控复杂多变的生态系统,两者之间的矛盾造成了保护生物学的具体不同于其他学科的特征(Primack 1993): 保护生物学是一门处理危机的决策科学:Soule(1985)将保护生物学称之为“危机学科”,这种学科往往要求根据不完全的信息进行决策,而等收集到足够的信息再行决策时将会错过决策机会。决策者将利
16、用直觉和创造力加上现有的信息来比较相似的事例,再参考理论模式进行决断。当然这与科学家通常所受的训练向脖,但是,为了处理我们所面临的环境问题,目前我们并无其他的选择。检验决策的标准是:珍稀物种是否仍然具有野生状态下的可生存种群?具有代表性的自然生态系统是否保存完整?对生物资源的利用是否既满足当代的需要,又保存了未来利用的基础?等等。,保护生物学是一门处理统计现象的科学:生态系统是复杂的、难以预测的研究对象,因此,保护生物学家常常不能对一个环境问题提供简单的答案。对于这一点,不仅大众不满意,就是保护生物学家自己也感到沮丧。环境问题往往是多因子综合作用的动态过程,不确定性是生态与自然保护问题的固有特
17、征。因此,常常并不是由于学科的成熟与否和科学家能力强弱,而是由于生态问题的客观特征,因此只能在一定概率水平上给出生态环境和生物多样性问题的答案。,保护生物学是一门价值取向的科学:科学应当是不涉及人的观点与愿望、无价值取向的、完全客观的东西。然而,科学研究是靠人来完成的,人的经验和目的往往影响科学。尽管人们往往不承认这一点。西方有人认为,现代科学是价值取向的(Grumbine 1992),这一观点称之为“后现代科学”(Post moder science)。在这一点上,保护生物学是为了保护有价值的生物多样性,因此,它是一门价值取向、使命取向的科学。,三、保护生物学的产生和发展, 20世纪70年代
18、,科技界和许多国家开始重视人类经济活动对环境的污染和野生物种的生存危机,但是当时没有专门研究生物多样性的学科,有关物种生存条件、灭绝机制以及环境保护的研究多散见于各个基础生物学科之中。随着生物多样性问题的日益突出及有关研究资料的积累,有关保护生物学研究人员迫切需要交流信息,于是,1978年,第一届国际保护生物学大会在美国圣地亚哥动物园召开。1985年,保护生物学会成立。现在,保护生物学会成为北美会员人数增长最快的一个学会(Primack 1993)。,保护生物学的形成,1980年召开首届保护生物学学术研讨会。 1985年,肃雷(Soule)等人为核心的保护 生物学学会(Society for
19、Conser -vation)正式成立。 保护生物学杂志(Journal of Conservation Biology)季刊于 1987年正式创刊。,从1990年开始,北美的许多大学设立了保护生物学专业,而且此专业目前已经成为大学生们喜欢选修的专业。许多基金会,包括美国国家科学基金会,都将保护生物学作为优先资助领域。联合国环境规划署和世界银行也为生物多样性和持续发展研究投入了大量的资金。两本保护生物学专业期刊Conservation Biology和Biological Conservation的创刊发行,则为保护生物学家们提供了交流研究成果、传播保护生物学知识的园地。 生物多样性是人类的共
20、同财富。生物圈是一个相互关联的功能整体,生物物种分布和迁徙没有国界。局部的污染和生物多样性变化将影响整个生物圈。野生生物的国际贸易导致富国对穷国生物资源的破坏和掠夺。因此,生物多样性保护是一项全球性的任务,需要各国协调行动,共同努力。,自从1973年濒危动植物物种国际贸易公约(CITES)签定以来,国际上已经签署了一系列国际公约。最近的一次,也是最重要的一次,是1992年6月在巴西首都里约热内卢召开的联合国环境与发展大会,会上签署了生物多样性公约(Convention on Biological Diversity)、里约宣言(The Rio Declaration)和气候变化框架公约(Con
21、vention on Climate Change)。这表明,各缔约国政府已经就保护生物多样性达成共识,开始协调步伐。,保护生物学在我国,1987年“中国自然保护纲要”出版; 1988年有关部门汇编了“自然保护区工作手册”; 1990年“中国自然保护文集”问世; 1991年“自然保护生物学进化生态学展望” 1992年中国科学院的“生物多样性译丛” 1993年“自然资源的合理利用与保护”; 1994年“中国生物多样性保护行动计划”。 1998年“中国生物多样性国情研究报告”,中国保护生物学研究起步较晚,力量薄弱。 目前我国一些综合大学已开设了保护生物学,比如北京大学、武汉大学等,但是农林院校起步
22、较晚, 在我国大多数物种受威胁状态不明,重点保护动物缺乏长期的、系统的有效监测;许多新方法和新技术还没有应用;许多自然保护区虽然已经建立,但是其设计与管理水平有待进一步提高。 尽管1959年中国科学院在鼎湖山建立了中国第一个自然保护区(到目前1999个),但真正的生物多样性保护和研究开始于20世纪80年代后期。1990年中国科学院成立了生物多样性工作组,1992年成立了生物多样性委员会,统一协调中国科学院生物多样性研究工作。1994年中国政府颁布了中国21世纪议程和中国生物多样性保护行动计划,以履行生物多样性公约。这一切表明中国加快了生物多样性研究和保护的步伐。,四、保护生物学的结构与特征,保
23、护生物学是一门综合性学科,目标是评估人类对生物多样性的影响,提出防止物种灭绝的具体措施(Soule 1986;Wilson 1992)。它具有理论科学和应用管理科学的双重特征,由基础生物学、应用生物学和社会科学交叉融合而成。,保护生物学,五、生物多样性的价值,生物多样性具有利用价值和其内在价值。生物多样性的利用价值可分为直接利用价值、生态价值、科学价值和美学价值四大类。 生物多样性的直接利用价值指生物资源可供人类消费的作用,如作为食物、燃料、建材、中草药、毛皮、肉、奶等。目前人们仅仅利用了生物界的一部分,许多野生动植物还有待驯化,以培育新的作物、家畜;许多野生乔木可以筛选速生树种。如中国西双版
24、纳生长着一种叫铁刀木的速生林,当地居民间隔一定时间砍取铁刀木的枝条作燃料,留下树干发枝,解决了当地的能源问题,持续利用了生物资源。又如中国的传统中的药材多为野生动、植物,中国著名的植物学家蔡希陶教授等曾发现了抗癌植物云南美登木。可以预言,人们将不断发现许多野生动、植物新的使用价值。,生物的生态价值指的是其维持生物圈的功能。绿色植物通过光合作用产生氧气、吸入二氧化碳,维持了大气成分的相对稳定。土壤中的分解者真菌、微生物和土壤动物分解了死取的动、植物尸体,清除了有机垃圾,是生物圈物质循环中不可缺少的一环。森林和草地截留降水,保持水土。因此,生物多样性的生态价值常常是难以定量估计的。,现有的生物多样
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