第二章生物多样性 主要内容 前言 Introduction 2.生物多样性及其起源与研究层次? 3.世界生物多样性现状? 4.中国的生物多样性? 5.遗传多样性 Genetic diversity 6.物种多样性 Species diversity 7.生态系统多样性 Ecosystem diversity 生物多样性 Biodiversity 生物多样性( biodiversity)是描述自然界中生命形式多样性程度的一个内容 广泛的概念 生物多样性指地球上所有生物(动物、植物、微生物等)、它们所包含的基 因以及由这些生物与环境相互作用所构成的自然综合体(生态系统)。 通常包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个组成部分 (1)遗传多样性 1何谓遗传多样性? 蕴藏在地球上植物、动物和微生物个体基因中的遗传信息的总和( McNeely 等,1990); 种内可种间表现在分子、细胞、个体三个水平的遗传变异度(施立明,1990)
第二章 生物多样性 主要内容 1. 前言 Introduction 2. 生物多样性及其起源与研究层次？ 3. 世界生物多样性现状？ 4. 中国的生物多样性？ 5. 遗传多样性 Genetic diversity 6. 物种多样性 Species diversity 7. 生态系统多样性 Ecosystem diversity 生物多样性 Biodiversity 生物多样性（biodiversity）是描述自然界中生命形式多样性程度的一个内容 广泛的概念。 生物多样性指地球上所有生物（动物、植物、微生物等）、它们所包含的基 因以及由这些生物与环境相互作用所构成的自然综合体（生态系统）。 通常包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个组成部分。 (1) 遗传多样性 1 何谓遗传多样性？ 蕴藏在地球上植物、动物和微生物个体基因中的遗传信息的总和（McNeely 等，1990）； 种内可种间表现在分子、细胞、个体三个水平的遗传变异度（施立明，1990）；
遗传多样性是指种内基因的变化,包括同种显著不同的群体间或同一群体内 的遗传变异(世界资源研究所(WRI),1992) 请思考:你更倾向于以上三个定义中哪一个,理由是什么? 2遗传多样性的具体内涵 指生物种内的遗传变异 指种内可遗传的变异; 表现形式是多层次的,可以表现在外部形态上、生理代谢上 3遗传多样性的起源 染色体畸变 基因突变 基因重组; 3.1染色体畸变 染色体数目变异 整倍性变异:染色体数目的变化以染色体组为单位而增减 非整倍性变异:细胞核内染色体是染色体组的完整倍数,而是在二倍体染色 体数目的基础上增减; 染色体结构变异 缺失: 重复 倒位: 易位 3.2基因突变:利用基因突变过程中碱基对变化的实例进行讲解 3.3基因重组:讲解方式同上。 一般重组:同源DNA分子之间的重组 位点专一重组:发生在顺序极少同源的DNA分子间 异常重组:顺序不同源的DNA分子间 4遗传多样性的检测
遗传多样性是指种内基因的变化，包括同种显著不同的群体间或同一群体内 的遗传变异（世界资源研究所（WRI），1992）； 请思考：你更倾向于以上三个定义中哪一个，理由是什么？ 2 遗传多样性的具体内涵 指生物种内的遗传变异； 指种内可遗传的变异； 表现形式是多层次的，可以表现在外部形态上、生理代谢上； 3 遗传多样性的起源 染色体畸变； 基因突变； 基因重组； 3.1 染色体畸变 染色体数目变异 整倍性变异：染色体数目的变化以染色体组为单位而增减； 非整倍性变异：细胞核内染色体是染色体组的完整倍数，而是在二倍体染色 体数目的基础上增减； 染色体结构变异 缺失： 重复： 倒位： 易位： 3.2 基因突变：利用基因突变过程中碱基对变化的实例进行讲解。 3.3 基因重组：讲解方式同上。 一般重组：同源 DNA 分子之间的重组； 位点专一重组：发生在顺序极少同源的 DNA 分子间； 异常重组：顺序不同源的 DNA 分子间。 4 遗传多样性的检测
遗传多样性的检测最初是从形态学开始的 本世纪60年代,酶电泳技术以及循异性组织化学染色法应用于群体遗传和 进化研究,使科学家们从分子水平来客观地提示遗传多样性成为可能,并极大地 推动了该领域的发展(Huby等,1996; Ayala等,1984) 进入80年代,分子生物学和分子克隆技术的发展带来了一系列更为直接的 检测遗传多样性的方法,即直接测定遗传物质本身DNA序列的变异( Hillis 等,1990; Avise,1994)。 5遗传多样性的科研价值及意义 有助于进一步探讨生物进化的历史和适应潜力 有助于推动保护生物学研究 有助于生物资源的保存和利用; 6遗传多样性的科研价值与意义——以箭竹种子保存为例 背景简介:2003年,片口自然保护区海拔2700米以上的团竹与缺苞箭竹开 花枯死,严重影响到大熊猫的食物需求。 问题:开花后箭竹枯死的生物学意义? 如果开花后第二年气候恶劣,如何避免箭竹种子因不能按时发育而出现 种群灭绝? 设想1:通过遗传学方法解析箭竹开花的机制,从而有针对性地避免箭竹开 花(1、周期假说;2、气候假说.) 设想2:利用现有转基因技术,改善箭竹的遗传特性 设想3:将部分箭竹种子保存于种子库,从而保存其遗传基因,在条件成熟 的情况下进行播种。 思考与问答 什么是遗传多样性? 遗传多样性有哪起源? 遗传多样性的检测方法有哪些? 研究遗传多样性的意义何在?
遗传多样性的检测最初是从形态学开始的。 本世纪 60 年代，酶电泳技术以及循异性组织化学染色法应用于群体遗传和 进化研究，使科学家们从分子水平来客观地提示遗传多样性成为可能，并极大地 推动了该领域的发展（Hubby 等，1996；Ayala 等，1984） 进入 80 年代，分子生物学和分子克隆技术的发展带来了一系列更为直接的 检测遗传多样性的方法，即直接测定遗传物质本身——DNA 序列的变异（Hillis 等，1990；Avise，1994）。 5 遗传多样性的科研价值及意义 有助于进一步探讨生物进化的历史和适应潜力； 有助于推动保护生物学研究； 有助于生物资源的保存和利用； 6 遗传多样性的科研价值与意义——以箭竹种子保存为例 背景简介：2003 年，片口自然保护区海拔 2700 米以上的团竹与缺苞箭竹开 花枯死，严重影响到大熊猫的食物需求。 问题：开花后箭竹枯死的生物学意义？ 如果开花后第二年气候恶劣，如何避免箭竹种子因不能按时发育而出现 种群灭绝？ 设想 1：通过遗传学方法解析箭竹开花的机制，从而有针对性地避免箭竹开 花（1、周期假说；2、气候假说……） 设想 2：利用现有转基因技术，改善箭竹的遗传特性； 设想 3：将部分箭竹种子保存于种子库，从而保存其遗传基因，在条件成熟 的情况下进行播种。 思考与问答 什么是遗传多样性？ 遗传多样性有哪起源？ 遗传多样性的检测方法有哪些？ 研究遗传多样性的意义何在？
(2)物种多样性 物种多样性( Species diversity):是生物多样性在物种水平上表现形式,是 指一定区域内的物种的多样性化及其变化,包括一定区域内生物的(1)状况(如 受威胁和特有性等)、(2)形成、(3)演化、(4)分布格局及其(5)维持机制等。 区域物种多样性( Regional diversity)、生态物种多样性( Ecological diversity)。 在阐述一个国家或地区生物多样性丰富程度时,最常用的指标是区域物种多 样性。区域物种多样性的测量有以下三个指标 ①物种总数,即特定区域内所拥有的特定类群的物种数目 ②物种密度,指单位面积内的特定类群的物种数目 ③特有种比例,指在一定区域内某个特定类群特有种占该地区物种总数的比 全球物种多样性概况 物种数目:全世界大约有1300万至1400万个物种,但科学描述过的仅有约 175万种。 全球生物多样性最丰富的国家 全球生物多样性热点地区 全球特有物种最丰富的10个国家 物种多样性在全球的分布格局 时间格局 纬度格局 海拔格局 物种多样性的时间格局 物种多样性的纬度梯度格局 物种多样性的海拔梯度格局
（2） 物种多样性 物种多样性（Species diversity）：是生物多样性在物种水平上表现形式，是 指一定区域内的物种的多样性化及其变化，包括一定区域内生物的(1)状况（如 受威胁和特有性等）、(2)形成、(3)演化、(4)分布格局及其(5)维持机制等。 区域物种多样性（Regional diversity）、生态物种多样性（Ecological diversity）。 在阐述一个国家或地区生物多样性丰富程度时，最常用的指标是区域物种多 样性。区域物种多样性的测量有以下三个指标 ①物种总数，即特定区域内所拥有的特定类群的物种数目 ； ②物种密度，指单位面积内的特定类群的物种数目； ③特有种比例，指在一定区域内某个特定类群特有种占该地区物种总数的比 例。 全球物种多样性概况 物种数目：全世界大约有 1300 万至 1400 万个物种，但科学描述过的仅有约 175 万种。 全球生物多样性最丰富的国家 全球生物多样性热点地区 全球特有物种最丰富的 10 个国家 物种多样性在全球的分布格局 时间格局 纬度格局 海拔格局 物种多样性的时间格局 物种多样性的纬度梯度格局 物种多样性的海拔梯度格局
物种多样性空间格局形成的原因 气候:适宜的气候允许较多的物种生存 气候变率:稳定的气候为物种分化创造了条件; 生境异质性:物理因子或生物因子的复杂性孕育了较多的生态位; 历史因素:进化时间越短,形成新物种越多; 能量:物种丰富性由每个物种所分配到的能量所决定 竞争:竞争有利于减小生态位宽度:竞争排斥减小物种数目 干扰:中等干扰减缓了竞争排斥; 捕食:捕食减缓了竞争排斥。 我国的物种多样性现状 我国特有物种现状 思考与问答 什么是物种多样性,它包括几个层次? 物种多样性在全球的分布格局如何?这些分布格局受哪些因素的影响? (3)生态系统多样性 生态系统的定义 生态系统是生物群落与其环境形成的生态复合体,是生命系统中重要的组织 层次,是自然界的基本单位。 生态系统的分类 1、按系统与外部环境联系程度分: 隔离系统( isolated system) 封闭系统( closed system) 开放系统( opened system) 2、按人类影响程度分: 自然生态系统
物种多样性空间格局形成的原因 气候：适宜的气候允许较多的物种生存； 气候变率：稳定的气候为物种分化创造了条件； 生境异质性：物理因子或生物因子的复杂性孕育了较多的生态位； 历史因素：进化时间越短，形成新物种越多； 能量：物种丰富性由每个物种所分配到的能量所决定； 竞争：竞争有利于减小生态位宽度；竞争排斥减小物种数目； 干扰：中等干扰减缓了竞争排斥； 捕食：捕食减缓了竞争排斥。 我国的物种多样性现状 我国特有物种现状 思考与问答 什么是物种多样性，它包括几个层次？ 物种多样性在全球的分布格局如何？这些分布格局受哪些因素的影响？ （3） 生态系统多样性 生态系统的定义 生态系统是生物群落与其环境形成的生态复合体，是生命系统中重要的组织 层次，是自然界的基本单位。 生态系统的分类 1、按系统与外部环境联系程度分： 隔离系统（isolated system） 封闭系统（closed system） 开放系统（opened system） 2、按人类影响程度分： 自然生态系统
人工生态系统 生态系统的分类(续) 3、按能量来源分 太阳能供能的自然生态系统 有自然辅加能量的太阳供能系统 具有人类辅加能量的太阳供能系统 燃料供能的城市工业系统; 4、按生境性质分 陆地生态系统 海洋生态系统 淡水生态系统 5、全球陆地主要10个生物群系分布 中国主要陆地生态系统的分类 森林生态系统 248类 灌丛生态系统 126类(包括灌草丛生态系统) 草原生态系统 55类 荒漠生态系统 52类 草甸生态系统 77类 沼泽生态系统 37类(包括红树林生态系统) 生态系统的变化 物理环境的长期变化:冰期的发生与消退、土壤发育或被侵蚀等 自然选择引起的机体遗传结构的变化 定区域内有机体的类型和数量等的变化及伴随发生的物理小环境的某种 特征的变化。 生态系统多样性 概念:指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化以及生态系统内生境 生物群落和生态过程变化的惊人的多样性。 要点: 生境
人工生态系统 生态系统的分类（续） 3、按能量来源分 太阳能供能的自然生态系统； 有自然辅加能量的太阳供能系统； 具有人类辅加能量的太阳供能系统； 燃料供能的城市工业系统； 4、按生境性质分 陆地生态系统； 海洋生态系统； 淡水生态系统。 5、全球陆地主要 10 个生物群系分布 中国主要陆地生态系统的分类 森林生态系统 248 类 灌丛生态系统 126 类 （包括灌草丛生态系统） 草原生态系统 55 类 荒漠生态系统 52 类 草甸生态系统 77 类 沼泽生态系统 37 类 （包括红树林生态系统） 生态系统的变化 物理环境的长期变化：冰期的发生与消退、土壤发育或被侵蚀等； 自然选择引起的机体遗传结构的变化： 一定区域内有机体的类型和数量等的变化及伴随发生的物理小环境的某种 特征的变化。 生态系统多样性 概念：指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化以及生态系统内生境、 生物群落和生态过程变化的惊人的多样性。 要点： 生境；
生物群落; 生态过程 生态系统多样性的综合性 是从基因水平到景观乃至生物圈的不同水平研究的综合 不同类群或不同学科研究的综合; 生态系统多样性的测度 多样性指数( Index of diversity):最先由 Williams在研究昆虫物种多样性 提出; Simpson1949年提出了集中性的概率度量方法 Margalef: Shannon和 Wiener的信息测度; MIn-tosh应用多维空间中的欧氏距离来测度多样性。 生物多样性检测 1.a多样性指数:测度群落内的物种多样性; 2.β多样性指数:测度群落的物种多样性沿环境梯度变化的替代速率; 3.A多样性指数:是一定区域内总的物种多样性的度量。 4.a多样性 物种丰富度指数 优点:简单易行 不足:不能全面反映群落的多样性水平 影响物种丰富度指数的因素: 历史因素、潜在定居者的、距离定居者来源地的远近、群落面积的大小和群 落内种间的相互作用等。 a多样性 Simpson Index:又称为优势度指数,是对多样性的反面即集中性的度量 Shannon- Wiener Index的适用条件: 1保证了种数一定的总体在各种间数量分布均匀时多样性最高 2.两个物种个体数量分布均匀的总体,物种数目越多,多样性越高 3.多样性具有可加性。 β多样性
生物群落； 生态过程； 生态系统多样性的综合性 是从基因水平到景观乃至生物圈的不同水平研究的综合； 不同类群或不同学科研究的综合； 生态系统多样性的测度 多样性指数（Index of diversity）：最先由 Williams 在研究昆虫物种多样性 提出； Simpson1949 年提出了集中性的概率度量方法； Margalef：Shannon 和 Wiener 的信息测度； McIn-tosh 应用多维空间中的欧氏距离来测度多样性。 生物多样性检测 1. α多样性指数：测度群落内的物种多样性； 2. β多样性指数：测度群落的物种多样性沿环境梯度变化的替代速率； 3. λ多样性指数：是一定区域内总的物种多样性的度量。 4. α多样性 物种丰富度指数： 优点：简单易行； 不足：不能全面反映群落的多样性水平； 影响物种丰富度指数的因素： 历史因素、潜在定居者的、距离定居者来源地的远近、群落面积的大小和群 落内种间的相互作用等。 α多样性 Simpson Index：又称为优势度指数，是对多样性的反面即集中性的度量。 Shannon-Wiener Index 的适用条件： 1.保证了种数一定的总体在各种间数量分布均匀时多样性最高； 2.两个物种个体数量分布均匀的总体，物种数目越多，多样性越高； 3.多样性具有可加性。 β多样性
Conception:为沿着环境梯度的变化物种替代的程度( Whittaker,1972)。即 不同群落或栽环境梯度上不同点之间的共有种越少,β多样性水平越髙。 application 指示生境被物种分隔的程度 有利于用来比较不同地段的生境多样性 Whittaker Index(B w) 2. Cody Index(βc) 3. Routledge Index(βR.β1.BE) 4. Wilson Shmida Index(B T 这6个指数是目前用于测度β多样性的常见指数,它们的具体应用为选修内 (4)生态系统多样性的监测 内容及方法:对生态系统组成、结构及主要生态过程等通过样地法进行监测 利用GIS与遥感手段等技术对一定区域内不同生态系统类型的面积及其分布格 局进行监测 生境破碎对生态系统多样性的影响 片段生境的能量平衡明显不同于全部被茂密的植被覆盖的景观; 景观破碎的另一个明显作用是片段生境受风的影响加大 景观破碎影响生态系统的水分循环; 影响物种种迁入率与灭绝率 生物多样性与生态系统功能 关于物种在生态系统中作用的假说: 1.冗余种假说( Redundancy species hypothesis) 2.铆钉假说( Rivet hypothesis); 3.特异反应假说( Idiosyncratic response hypothesis); 4.零假说( Null hypothesis 生物多样性的关键地区( Critical area):植被保存较好、生物种类丰富且特 有程度较高的地区称为生物多样性关键地区( Critical area)(陈灵芝,1993)。 关键地区的特点:
Conception:为沿着环境梯度的变化物种替代的程度（Whittaker,1972）。即 不同群落或栽环境梯度上不同点之间的共有种越少， β多样性水平越高。 Application: 指示生境被物种分隔的程度； 有利于用来比较不同地段的生境多样性； 1. Whittaker Index (βw) 2. Cody Index (βc) 3. Routledge Index (βR、βI 、βE) 4. Wilson & Shmida Index (βT) 这 6 个指数是目前用于测度β多样性的常见指数，它们的具体应用为选修内 容。 （4）生态系统多样性的监测 内容及方法：对生态系统组成、结构及主要生态过程等通过样地法进行监测； 利用 GIS 与遥感手段等技术对一定区域内不同生态系统类型的面积及其分布格 局进行监测。 生境破碎对生态系统多样性的影响 片段生境的能量平衡明显不同于全部被茂密的植被覆盖的景观； 景观破碎的另一个明显作用是片段生境受风的影响加大； 景观破碎影响生态系统的水分循环； 影响物种种迁入率与灭绝率。 生物多样性与生态系统功能 关于物种在生态系统中作用的假说： 1. 冗余种假说（Redundancy species hypothesis）； 2. 铆钉假说（Rivet hypothesis）； 3. 特异反应假说（Idiosyncratic response hypothesis）； 4. 零假说（Null hypothesis） 生物多样性的关键地区（Critical area）：植被保存较好、生物种类丰富且特 有程度较高的地区称为生物多样性关键地区（Critical area）（陈灵芝，1993）。 关键地区的特点：
1.具有世界意义的物种丰富 2.特有物种多 3.遗传资源丰富或者濒危物种较多 4.关键地区确定原则 5.丰富性:生物多样性丰富 6.特殊性:包括有多种特有物种的生态系统比由众多广布种组成的生态系 统更为重要; 7.受威胁的程度:受威胁严重的地区应具有较高优先度,在其他条件相同 的情况下,濒危物种比易危物种、易危物种比稀有物种、稀有物种比数 量下降但未列入IUCN名录的物种具有更高的优先度 8.价值:生态价值与经济价值。 生物多样性的热点地区( Hotspot area) 特有物种丰富且受威胁程度高的区域称为生物多样性的热点地区 衡量标准: 较高的物种特有性 2.严重受威胁的区域; 例:我省的大熊猫自然保护区 分析:大熊猫是我省特有物种; 对大熊猫的威胁严重 关键物种( Keystone species)或关键种组( Keystone group):指在维持生 态系统中具有至关重要作用,它们的存在与否会影响到整个生态系统的结构与功 能的那些物种或物种的组合 遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三者之间的关系 遗传传多样性是物种多样性和生态系统多样性的基础,或者说遗传多样性是 生物多样性的内在形式。物种多样性是是构成生态系统多样性的基本单元。因此, 生态系统多样性离不开物种的多样性,也离不开不同物种所具有的遗传多样性。 思考与问答
1. 具有世界意义的物种丰富； 2. 特有物种多； 3. 遗传资源丰富或者濒危物种较多； 4. 关键地区确定原则 5. 丰富性：生物多样性丰富； 6. 特殊性：包括有多种特有物种的生态系统比由众多广布种组成的生态系 统更为重要； 7. 受威胁的程度：受威胁严重的地区应具有较高优先度，在其他条件相同 的情况下，濒危物种比易危物种、易危物种比稀有物种、稀有物种比数 量下降但未列入 IUCN 名录的物种具有更高的优先度； 8. 价值：生态价值与经济价值。 生物多样性的热点地区 (Hotspot area) 特有物种丰富且受威胁程度高的区域称为生物多样性的热点地区； 衡量标准： 1. 较高的物种特有性； 2. 严重受威胁的区域； 例：我省的大熊猫自然保护区； 分析：大熊猫是我省特有物种； 对大熊猫的威胁严重. 关键物种（Keystone species）或关键种组（Keystone group）：指在维持生 态系统中具有至关重要作用，它们的存在与否会影响到整个生态系统的结构与功 能的那些物种或物种的组合。 遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三者之间的关系： 遗传传多样性是物种多样性和生态系统多样性的基础，或者说遗传多样性是 生物多样性的内在形式。物种多样性是是构成生态系统多样性的基本单元。因此， 生态系统多样性离不开物种的多样性，也离不开不同物种所具有的遗传多样性。 思考与问答
什么是生物多样性? 生物多样性有哪三个表现层次,各个层次的概念及其特征? 生物多样性与生态系统功能间的关系如何?
什么是生物多样性？ 生物多样性有哪三个表现层次，各个层次的概念及其特征？ 生物多样性与生态系统功能间的关系如何？