1、中国地质大学地球科学学院刘本培2006.6 生物与环境的多样性 生态系统与食物链 地质环境与人类健康 生物绝灭与环境变迁 生物与环境l生物存在于地理环境之中，它们在个体发育的全部过程中始终进行新陈代谢新陈代谢作用，经常不断地与环境间进行着物质与能量的交换。新：新：从环境中吸取能源和营养物质，建造躯体。陈：陈：把不需要的代谢产物排放到外界环境中，才能维持正常的生命活动和后代繁殖。l因此，任何生物有机体都不能脱离环境而生存。环境控制和塑造着生物的生理过程、形态构造和地理分布。正是地球上的环境复杂多变，导致生物界面貌的多样性。l同时，生物（特别是群体）也对环境产生明显的改造作用。例如，20亿年前元古
2、宙原核生物（海生藻类）的繁盛导致还原大气圈演变为氧化大气圈。现代植树造林可以防治水土流失、改造沙漠。地史中大气圈的CO2 2含量变化l生态因素：生态因素：在环境中对生物的生命活动起直接作用的那些环境要素，包括日光、热、水、风、矿物盐类和其他生物等。地形、海拔高度等则属于间接起作用的因素，通过改变气候、土壤等条件而 对生物产生影响。l生境：生境：生物或其群体居住地段所有生态因素的总和。l限制限制因素：地球上各种生态因素的变动幅度非常广阔，每种生物的适应范围却有一定限度。当一个或几个生态因素的量/质或或生物的忍受临界值时，这种生态因素称为限制因素限制因素。(据据Shelford,1911转引转引)
3、生物的适应性l定义：生物的形态结构、生理机能、个体发育和行为等与周围环境相适应。l植物的根、茎、叶在不同气候条件下的变态。l枯叶蝶的拟态，鱼的颜色肚白背黑。l是在长期生存斗争中通过自然选择的结果。(引自潘树荣等引自潘树荣等,1985)生物的指示现象(biological indicator)l定义：根据生物种（种群）、或生物的某些特征，来确定地理环境中其他成分的现象。l固定生长的植物、珊瑚对环境的反映最为灵敏。l树木年轮能显示温度、降水量年际变化和太阳黑子周期。l地质指示现象：安徽铜官山的铜矿分布区盛长“铜草”（海州香糯）。l珊瑚礁生长在热带（水温20）、清澈、浅海水域。根劈新疆温宿地震成因的
4、神木园 南天山山麓的旅游热点5.6l遗传多样性：一个物种内个体之间、种群之间的差别。l物种多样性：一个区域内动植物和其他生物的不同类型。l生物群落或生态系统多样性：一个地区内（如草原、沼泽、森林等）多种多样的生境。热带雨林最为典型。l功能多样性：一个生态系统内生物的不同作用。如植物吸收 能量，草食动物则控制植物生长。-l地球上基本的商品和服务，依赖于基因、物种、地球上基本的商品和服务，依赖于基因、物种、种群和生态系统的多样性和动态性。种群和生态系统的多样性和动态性。联合国联合国2121世纪议程世纪议程种群l种群：种群：占据一定环境空间的同种生物的个体群。l具有新属性：出生率、死亡率、年龄结构、
5、分布格局和仅限某些动物种群的社群结构等。l种群是物种存在、进化和表种群是物种存在、进化和表达种内关系的基本单位，是达种内关系的基本单位，是生物群落、生态系统的基本生物群落、生态系统的基本组成部分，也是生物资源开组成部分，也是生物资源开发、利用和保护的具体对象。发、利用和保护的具体对象。l种群增长：理想情况下表现种群增长：理想情况下表现为指数式增长。为指数式增长。1个细菌经过36小时，完成106个世代后，将繁殖出2107个细菌，可以布满全球一尺厚。达尔文曾估算，1头繁殖缓慢的大象自由繁殖，750年后达到1.9107头。实际上受到环境阻力，表现为S形曲线。(引自引自,1981,1981)l生物群落
6、：在一定地段的自然环境条件下，由彼此在发生物群落：在一定地段的自然环境条件下，由彼此在发展中有密切联系的动物、植物和微生物有规律地组合成展中有密切联系的动物、植物和微生物有规律地组合成的的种群集合体种群集合体。l地球上存在的各种自然群落，如森林、草原、荒漠、湖泊、沼泽等，是地质历史长期演化的产物，是通过长期自然选择在一定地区产生的最合理、最有效的生物群体。湖泊沿岸植物群落分带湖泊沿岸植物群落分带 4-湿生植物带：莎草科 3-挺水植物带：芦苇、茭白等 2-浮叶植物带：睡莲、眼子菜等 1-沉水植物带：苦草、金鱼草等生物群落的演替l生物群落是动态系统：存在季相变化、年变化、群落演替和演化。l演替：由
7、于自然或人为原因，一个群落被性质不同的另一个群落替代的现象。l顺行演替：荒地变森林 逆行演替：砍伐森林、草原退化 (引自潘树荣等,1985)植物植物低等无脊椎动物低等无脊椎动物 高等无脊椎动物高等无脊椎动物 脊椎动物脊椎动物 藻类藻类 约约26,900种种原核生物原核生物 约约4,760种种腔肠动物腔肠动物 约约9,800种种鱼类鱼类 约约19,100种种菌藻类菌藻类 约约47,000种种原生动物原生动物 约约30,800种种棘皮动物棘皮动物 约约5,000种种 两栖类两栖类 约约4,200种种高等植物高等植物约约248,500种种扁形动物扁形动物 约约12,000种种环节动物环节动物 约约1
8、2,000种种 爬行类爬行类 约约6,300种种线虫动物线虫动物 约约12,000种种软体动物软体动物 约约50,000种种鸟类鸟类 约约9,000种种海绵动物海绵动物 约约5,000种种昆虫类昆虫类 约约751,000种种哺乳类哺乳类 约约4,000种种昆虫以外的节肢动物昆虫以外的节肢动物 约约423,000种种l与过去与过去5 5亿年中的五次大灭绝相匹敌，目前世界正处于亿年中的五次大灭绝相匹敌，目前世界正处于另一次重要物种灭绝的边缘！另一次重要物种灭绝的边缘！l 主要原因：主要原因：与以往的各种自然原因不同，现在是人类引起的环境污染、热带森林锐减、珊瑚礁破坏、湿地消环境污染、热带森林锐减、
9、珊瑚礁破坏、湿地消失、外来物种入侵、无节制消费失、外来物种入侵、无节制消费等造成。l 按热带生境破坏的趋势预测：按热带生境破坏的趋势预测：19752015年间，每每1010年将灭绝年将灭绝1%1%11%11%。有一种中度的预测，今后25年内4%4%8%8%的热带森林物种将灭绝。将大大改变C、N 等营养元素和微量元素的源、汇分布，破坏它们在地球系统中的循环，给自然生态系统和人类社会带来巨大影响。l地史中每次集群绝灭事件后，需要地史中每次集群绝灭事件后，需要 1000万年时间物种万年时间物种才能恢复到有关事件前的多样化水平！才能恢复到有关事件前的多样化水平！厄瓜多尔鱼船对鲨鱼割鳍弃身 生物与环境的
10、多样性 生态系统与食物链 地质环境与人类健康 生物绝灭与环境变迁 l定义：自然界中任何生物群落总是通过连续的能量-物质交换与其共存的自然环境形成相互作用和联系的统一整体，这样的生生态功能单位态功能单位就是生态系统。l空间范围：生态系统是地球表层的基本组成单位，面积大小可以悬殊（整个生物圈到一滴水）。整个地球表层由大小不同的生态系统镶嵌而成。l开放系统：生态系统并非完全被动接受环境的影响，在一定条件下具有反馈机反馈机能，能，能自动调节、修复外界干扰造成的创伤，保持相对平衡状态。l意义：对生命自然界的认识提到更高一级水平，提供了观察分析复杂自然界的有力手段，成为解决人类可持续发展重大问题的理论基础
11、之一。生态系统的组成成分 (据据Odum,1971)Odum,1971)大鱼吃小鱼大鱼吃小鱼小鱼吃虾米小鱼吃虾米虾米吃烂泥虾米吃烂泥 通过生态系统的核心部分生物群落实现：l生物生产生物生产l能量流动能量流动l物质循环物质循环l生物生产：生物生产：生物在新陈代谢过程中将能量、物质重新组合，形 成新的产物（碳水化合物、脂肪、蛋白质等）的过程。初级生产：初级生产：绿色植物通过光合作用将无机物转化成有机物的生 产过程。次级生产：次级生产：消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同 化作用形成异养生物自身物质的生产过程。l总初级生产量（总初级生产量（GPP)：植物在单位面积、单位时间内，通过光合 作用
12、固定的太阳能量。单位是Jm-2-2 a 11或gDW m-2-2 a 1 1。净初级生产量（净初级生产量（NPP)：GPP减去植物因呼吸作用的消 耗（R),剩下的有机物质。即 NPP=GPP-RNPP=GPP-R。生物量：生物量：植物在单位面积内的总重量,单位是kgm-2-2。干重 热量单位全地球NPP(干物质）=172.5109 t a-1生物量(干物质）=1841 10 t 不同生态系统差别明显 全球最高生物量和净初全球最高生物量和净初级生产量分布区级生产量分布区l太阳能太阳能植物光合作用植物光合作用生生物化学能（生态系统的基物化学能（生态系统的基本能源）本能源）l生态系统内部各成分之间生
13、态系统内部各成分之间流动为单向流，通过各营流动为单向流，通过各营养级生物呼吸作用而散失养级生物呼吸作用而散失l用于较高营养级生产量的用于较高营养级生产量的能量只占很小比例能量只占很小比例 （LindemanLindeman据湖泊生态系统测定，陆地上则更低）据湖泊生态系统测定，陆地上则更低）DDT (引自现代自然地理学，2001）散布大气中的浓度散布大气中的浓度 生物与环境关系 生态系统与食物链 地质环境与人类健康 生物绝灭与环境变迁环境污染l人类在生产生活过程中，向大气、水、土壤等环境媒介排入大量三废（废气、废水、废渣）三废（废气、废水、废渣），引起环境污染或导致环境破坏。l生产性污染物生产性
14、污染物：工业生产的三废（酸雨酸雨）、农药残留。生活性污染物：垃圾、粪便、污水。生活性污染物：垃圾、粪便、污水。放射性污染物：核工业、核武器、医用放射源。放射性污染物：核工业、核武器、医用放射源。实例实例：切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站核泄漏核泄漏事件（事件（19861986年年4 4月）月）西欧西欧二恶英二恶英事件（事件（19991999 20012001）淮河治理已经达标又遭废水淮河治理已经达标又遭废水重新污染重新污染（20012001）什麽是二恶英？对人有何危害？食物链与化学污染物l二恶英（多氯二苯二氧）二恶英（多氯二苯二氧）事件：事件：来源于化工生产副产品、金属热加工、垃圾焚烧、汽车尾
15、气、造纸漂白等。污染米油、畜禽产品。1968年出现于日本。1999.6比利时肉制品事件带来 10亿欧元经济损失亿欧元经济损失和内阁集体辞职内阁集体辞职。l1标准样品的浓度仅相当标准游泳池（50m 20m 2m）内一滴水。l属于环境荷尔蒙环境荷尔蒙物质，危险性在于会发出类似动物激素的信号，干扰生殖系统。主要集中于脂肪和乳汁，污染爆发有漫长的潜伏过程。和一般的污染物中毒不同，威胁的是未来未来。l日本母乳检测发现二恶英二恶英含量超标。l北极圈内挪威海岛上北极熊受到污染的食物链旅程：北美污染物-洋流-鱼-熊。构成人体的三类元素l1，生命机体不可缺少的主要组成元素（营养元素）主要组成元素（营养元素）。如
16、：H、O、C、N、Ca、P、K、S、Na、Cl、Si、Mg、Al等25种元素，占人体内元素含量的99(前4种占生物体体重的96%)。l2，生命有机体必需，但稍过量或缺少就有害的微量元素（必需微量元素（必需元素）元素）。如Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、V、Cr、Ni、Sn、Se、F、I等在体内含量90%。反映了地球表层生地球表层生态环境态环境的巨变。浩劫后的生物界l残留种残留种：少量物种经历集群绝灭浩劫后仍少量物种经历集群绝灭浩劫后仍能能幸存幸存下来。下来。研究其原因值得人类借鉴研究其原因值得人类借鉴。l复活种复活种：有的物种能有的物种能逃离恶化的环境逃离恶化的环境在某在某个个避难所避难所
17、生存，生存，待环境条件好转后再待环境条件好转后再回到回到原先的分布区原先的分布区。l先驱种先驱种：有些门类的物种原先并不显眼，有些门类的物种原先并不显眼，但由于优越的但由于优越的生理功能生理功能或很强的或很强的抗灾变抗灾变生生态习性，能渡过浩劫而获得态习性，能渡过浩劫而获得辐射演化辐射演化的机的机会。会。现代印度洋深水总鳍鱼现生总鳍鱼l产地：东非科摩罗群岛（科摩罗伊斯兰联邦共和国），生活于水深百余米处。l现存：北京市白石桥古脊椎动物与古人类研究所博物馆（照片）。l事由：张弥曼托卢衍豪访问时要一条总鳍鱼。l回馈：针对该国以农业为主，赠一些农具。l感慨：不同学科间科学家密切合作，互通信息，比现在强
18、。a.生物征服陆地过程的?（宇宙与人影片的解说）b.躲过全球大灾变、实现可持续 发展的?人类可能来自茫茫大海吗？刘波，1993，天地人巨系统观，安徽教育出版社l古人类化石记录的巨大空白：南方古猿（170-400万年前）-（400万年）-腊玛古猿（800-1400万年前）l英国人类学家爱利斯特哈代提出新假设海猿说。800万年前，东非、北非局部长期被海水淹没，迫使部分古猿进化为海猿，出现独特的生理特征（四肢伸直、学会控制呼吸等l证据：只有人类和水兽（海豚、海貂等）体表无浓厚毛发覆盖，却有一层较厚的皮下脂肪；同样对体内盐的平衡毫无感觉，常以流汗方式排泄体内盐分，只能以有过长期生活在盐分供应充足的海水
19、中的经历来解释。l猿人留下的史前贝冢（牡蛎、贻贝）生活于深水环境，不可能由其他灵长类潜水采集。l1974年埃塞俄比亚发现“露丝”南猿化石，肩关节灵活、上肢可向上直伸、下肢较短小纤弱、骨盆发育等，与其说是树栖或直立行走，不如说是游泳的结果。l缺点：证据欠充分，尚难最后定论。不排除海陆环境交替变迁促进由猿变人的可能性。人类生理功能的潜力l2003年4月20日辽宁台电视节目报道：国外潜水人培提经过训练，能不带氧气面罩潜入海面下400英尺（约121.8m）深处，历时2分多钟，安全返回海面。l具备条件：1，能闭气2分多钟；2，心跳减缓到20次/分（3秒一次，类似深海哺乳动物 能将血液集中到大脑、心脏）；
20、3，身体忍受压力200磅/平方英寸。l划清界限：区分装神弄鬼的天生“特异功能”和经过科学训练获得的特殊生理功能（人类可开发的生存极限范围）。人间海豚创深海潜水记录2003.7.22 l英国30岁的女子塔尼亚斯特里特屏息3分38秒，在英属西印度群岛深达2000米别的海域里下潜122米，并靠自己力量重新露出水面。l一举打破了世界男、女自由潜水记录。l扩大胸腔的训练使她的心脏位置移动了几英寸，肺部能比普通人多吸进50%空气（可屏息6分多钟）。物种的形成l英国C.R.Darwin发表物种起源(1859)科学巨著，提出物竞天择，物竞天择，适者生存适者生存是生命进化的普遍原理，标志着进化论学说的创立。l达
21、尔文提出的：物种演物种演变、共同起源、适应和变、共同起源、适应和自然选择自然选择等科学概念，是人类自然科学史中的里程碑式光辉成就，迄今仍有重要科学价值。对达尔文学说的重新评价l根据大量事实的发现也指出存在不足方面：l特别强调物种的渐进进化观点特别强调物种的渐进进化观点提出自然界无自然界无跃进跃进格言。当时已知道寒武纪生物大爆发现象，只能用“地质记录保存不完整性地质记录保存不完整性”予以解释。l特别强调自然选择（外因）的重要性特别强调自然选择（外因）的重要性。事实上生命系统各个层次都有相应的进化驱动机制存在。例如分子水平的进化机制是遗传漂变遗传漂变（genetic drift),而非自然选择。生
22、物变异（内因）具有很高的活动性，生物变异（内因）具有很高的活动性，生物进化也相应拥有无限的可能性生物进化也相应拥有无限的可能性。人类基因组计划人类基因组计划（1990199020052005，全球为之轰动）全球为之轰动）l人类基因组里大致有人类基因组里大致有3030亿个碱亿个碱基对，可以编码基对，可以编码300300万个左右万个左右的基因，目前仅利用了的基因，目前仅利用了1.3%1.3%。l基因越多就意味着人类各种器基因越多就意味着人类各种器官功能的强大：官功能的强大：l眼睛还能看见红外线、紫外线红外线、紫外线和无无线电波线电波。l耳能听到 20 20赫兹的次声波赫兹的次声波和 2000020
23、000赫兹的超声波。赫兹的超声波。l两个大脑半球可以同时工作，同时工作，也可以轮流休息，轮流休息，大大增强处理信息的能力和正确率。l鼻和嘴能吸进需要的气态物质气态物质和补充水分水分。l双肺完全萎缩，有两个强大的心脏。l身体披满茸毛，能吸收宇宙能宇宙能。l体内有感应地球磁场的细胞，能沿磁力线自由飞翔。2002.3.2 北京晨报第10版a.人作为顶级生物,b.人作为级食肉生物,c.人作为级食肉生物,d.人作为食草生物图1 处于生物金字塔顶端的人与可享用资源量 （生物的种类和数量）的关系生物多样性是人类生存的基础生物多样性是人类生存的基础 处在食物链金字塔顶端的人类，是以几何级数倍的各类生物的种类和
24、数量为基础的。消灭生物多样性，就是挖掉食物链金字塔的基础，也就是消灭人类自己生存的基础。地质时代：鸟类300年一种；兽类800年一种 17世纪：10年一种 18501950：每年一种 现在：植物每分钟一种；动物每天一种现代是地球历史上又一个绝灭期现代是地球历史上又一个绝灭期 （鸟、兽类灭绝的加速）（鸟、兽类灭绝的加速）当代与地史时期的古全球变化与生物绝灭耦合事件,其过程有很多是可比的。古 中生代之交相对绝灭率增大-绝灭初始阶段绝灭高峰期绝灭后期种的相对绝灭速率由比较稳定到缓慢上升，到急剧增大至高峰期相应值的；属的相对绝灭速率很低。1/3种的相对绝灭速率仍在继续增大，并且属的相对绝灭速率急剧上升
25、，两者同时达到最大值，然后开始下降。属、种相对绝灭速率继续下降，总体上生物面貌非常单调，绝灭率很低。种的绝灭速率由低并且比较稳定到缓慢上升，到急剧增大，为背景绝灭的倍以上，甚至上百、上千倍；但是属级绝灭速率几乎为零。75当代生物多样性剧减古-中生代之 交生物多样性剧减据 化石记录，种的绝灭速率为其背景值的14倍据统计，种的绝灭速率大于其背景值的75倍对比推断当代生物多样性正面临一次生物绝灭根据二叠-三叠系之交与当代生物属、种减少的过程的比较，推断：当代生物多样性剧减相当于二叠-三叠系之交生物绝灭的初始阶段（如右）当 代 物 种 丧失 速 率 增 大 4 -图当代物种绝灭与二叠 三叠系之交生物绝
26、灭过程的阶段对比种属结论古-中生代之交的绝灭过程（来源于图3A）当代的生物绝灭过程（来源于图1和图2）(何卫红等,2004)这次绝灭的主要罪魁是人类 从地球上每天有100种生物绝种计算，估计到21世纪可能消失的物种总数为100万，而现有物种约1000万计算出来的。1979年非洲有165万头大象，现在仅剩65万头。世界海洋鲸类在本世纪之前有数十种，现在仅剩十余种。各国都有数量很大的濒危珍稀动植物清单，然而偷捕偷挖的违法案例屡禁不绝。l人类活动作为一个强大扰动因素已对自然地理环境发生人类活动作为一个强大扰动因素已对自然地理环境发生了显著的作用和影响。了显著的作用和影响。l在十年和百年时间尺度上，人
27、为扰动的强度已达到可与在十年和百年时间尺度上，人为扰动的强度已达到可与自然扰动相比拟的程度，甚至更强。自然扰动相比拟的程度，甚至更强。l人类既能够通过科学进步，促进社会发展，造福于人类，人类既能够通过科学进步，促进社会发展，造福于人类，又能够给自己带来某种危及自身生存的潜在危害。又能够给自己带来某种危及自身生存的潜在危害。-人类必需节制自身的活动，防止人类活动诱发和加剧对区域和全人类必需节制自身的活动，防止人类活动诱发和加剧对区域和全 球环境的破坏，保护人类赖以生存的地球环境。球环境的破坏，保护人类赖以生存的地球环境。人类应摆正自己在自然界中的正确位置。人类应摆正自己在自然界中的正确位置。人不
28、是大自然的主宰，而是大自然的成员。人不是大自然的主宰，而是大自然的成员。人不可能征服自然，而只能顺应自然来发展自己。人不可能征服自然，而只能顺应自然来发展自己。人类只能走团结合作共同发展的道路，才能应付地球生态危机！人类只能走团结合作共同发展的道路，才能应付地球生态危机！l物质文明是一把双刃剑，精神文明是那仗剑的人。l科技是力量，人文是方向。思考题1，说明达尔文进化论的历史功绩和需要修改发展之处。2，说明终极绝灭、假绝灭、正常绝灭和集群绝灭的区别。3，现生总鳍鱼类的发现对我们有什麽启示？4，当代生物多样性减少的主要原因何在？有何危害？5，食物链的主要环境污染源有那些？他们的高发期具有何种历史背景？6，列举历史中和当代的突发环境事件的起因和危害，我们需要吸取那些经验教训？7，威胁人类可持续发展的因素有哪些？最现实的威胁是什麽？参考书l地球科学导论，第11章，2-3-4，283-303页。
