地球科学-第一章

地球科学农学与植物保护学院袁忠林zhongliny@163.comOffice:86080446Cellphone言地球科学(EarthScience)：指一切研究地球的科学。各学科通常会以物理、地理、地质、气象、数学、化学、生物的角度研究地球。它和人类的生活息息相关。地球科学是一门很基础、很重要的学科。地球科学可涵盖的学科：自然地理、气象学、植物学、动物学、微生物学、数学、物理学、地质学、海洋学、气候学、大气物理学、地球动力学、古生物学、地磁学等。这里主要讲一下地球上生物的多样性(Biodiversity)及其分布格局的成因。第一章：生物多样性

Chapter1:Biodiversity

第一节、生物多样性的概念、组成及意义一、生物多样性的概念1、多样性(Diversity)

简单来说就是“各种各样”的意思。动物－各种各样的动物；现已知150万种。有翅膀，能飞行个体小繁殖力强器官多样化不同的变态类型适应性强植物－各种各样的植物；现已知植物50万种。微生物－各种各样的微生物。现已知细菌3000多种，真菌6900种。一、生物多样性的概念1845-1846Irishfamine,饿死几十万，逃荒150万(DeBary)（马铃薯晚疫病，1861）1942-1943Bengalfamine，1943饿死200万人（水稻胡麻斑病）2、生物多样性生物多样性的概念，就像许多其它学科概念一样，至今还没有一个严格、统一的定义。目前，对生物多样性的含义有许多解释，但所表述的内容基本一致。1987年美国国会技术评价办公室（OTA）将生物多样性定义为：“生物之间的多样化和变异性及物种生境的生态复杂性。”

1992年联合国环境与发展会议（UNCED）签署的《生物多样性公约》将生物多样性定义为：“生物多样性是指所有来源的形形色色的生物体，这些来源包括陆地、海洋和其他水生生态系统及其所构成的生态综合体；还包括物种内部、物种之间和生态系统的多样性。”

1995年联合国环境规划署（UNEP）发表的关于全球生物多样性的巨著《全球生物多样性评估》给出一个较简单的定义:“生物多样性是所有生物种类、种内遗传变异和它们与生存环境构成的生态系统的总称”。1993年陈灵芝认为，“生物多样性是所有生物种类、种内遗传变异和它们的生存环境的总称，包括所有不同种类的动物、植物和微生物，它们所拥有的基因，以及它们与生存环境所组成的生态系统”。因此，生物多样性这一定义可以从三个层次上理解。1）生物之间的多样化。指地球上存在形形色色的各种生物，这是物种层次上的多样性。2）生物之间的变异性。指生物物种所包含的基因、基因型存在多样化和可变性，这是基因层次上的多样性。各种各样的蝴蝶兰细胞的有丝分裂DNA结构纺锤丝3）生境的生态复杂性。指地球表面分布着各种各样的生态系统类型及由此构成的各种生态环境，这是生态系统层次上的多样性。常绿阔叶林(低纬度)落叶林(亚热带)针叶林(中纬度)高山草甸(高原或高纬度)地中海硬叶森林

{热带雨林Tropicalrainforest落叶林Deciduousforest针叶林Coniferousforest长白山苔原ChangbaiMt.Tundra因此，生物多样性是指“生命有机体及其借以生存的生态复合体的多样性和变异性，包括所有的植物、动物和微生物物种以及所有的生态系统及其形成的生态过程”。

物种多样性是基本内容；遗传多样性由物种携带；生态系统多样性由物种构筑。因此，生物多样性是指地球上动物、植物和微生物的多样性和变异性的总和，以及它们所存在的生态环境，它不仅是人类生存的基础，也构成了人类生存的生物圈环境。生物多样性包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性。物种最丰富的自然环境在海洋和热带雨林，甚至海洋生态系统比陆地更丰富。人类也是生物多样性的一部分。生物多样性使生命在这个行星上变得可能。

二、生物多样性的组成如前所述，生物多样性是由动物、植物和微生物及其生态系统所组成的。生物有多少物种呢？---一个简单而难以准确回答的问题。地球——是我们已知的唯一具有生命的星球。形形色色的物种构成了丰富多彩的世界。地球上究竟有多少物种，这是一个简单而又很难回答的问题。因为至今还没有一个、甚至是小的类群真正被完全描述和命名。Wilson认为现已知有200多万种动物、植物和微生物，但有人估计有400万。----同物异名&异物同名。同物异名：一个物种具有两个或两个以上的名称；异物同名：即不同物种具有同样的名字。按照生物命名法规，一个物种只能有一个有效名，这个有效名是拉丁文，也叫做学名，其它名称均为无效名。如：飞蝗LocustamigratoriaL.

在已知的动物150万种中，昆虫就占100万种，占2/3。热带生物学家Erwin推测物种数远远超过这个数字，热带昆虫大约有3000万种。他这一结论是对巴拿马地区一种植物Luecheaseemannii上甲虫的数量研究所推测到的，从19棵树上收集到了1200种甲虫。甲虫的数量最多，约占整个生物的25%。为了证实Erwin的结论，伦敦国家历史博物馆的Stork和Gaston对热带加里曼丹岛森林昆虫进行了研究，表明世界上约有1000万—8000万种节肢动物。昆虫新目—螳（虫脩）目Mantophasmatodea,2002，OliverZompro

现在还没有人能正确估计微生物的数量，现已知细菌3000多种，真菌6900种，但英国皇家植物园的Hawksworth认为，真菌就有160万种之多，因为人们对海洋微生物的研究甚少。杆菌真菌病毒

三、生物多样性的等级层次生物多样性是一个复杂的、多学科综合的和内涵极其丰富的概念群。可划分为4个层次：

遗传多样性（geneticdiversity）

物种多样性（speciesdiversity）

生态系统多样性（ecosystemdiversity）

景观多样性（landscapediversity）1、遗传多样性(微观水平)

遗传多样性是生物多样性的内在形式。广义的遗传多样性是指地球上所有生物所携带的遗传信息的总和，通常谈及生态系统多样性或物种多样性时也就包含了各自的遗传多样性。狭义的遗传多样性主要指生物种内不同群体或同一群体内不同个体的遗传变异的总和，蕴藏在动植物和微生物个体的基因。

SolanummelongenaL2、物种多样性(种群水平)物种多样性是生物多样性最直观的体现，是生物多样性概念的核心。它指有生命的有机体即动物、植物、微生物物种的多样性。多种多样的物种是生态系统不可缺少的组成部分。草鴞长耳鴞长尾林鴞雕鴞褐林鴞红角鴞浩叶蝉Leafhopper,2万多种物种的概念林奈：神创论概念(typologicalspeciesconcept):物种是上帝创造的，物种不变，模式种概念。达尔文：进化物种概念(evolutionaryspeciesconcept):物种是一个独立的进化分支，与其它分支相比，经历了自已独特的进化历史，有特有的进化特征、进化潜力和进化趋势，是具有祖裔关系的一系列自然种群的进化事件的总和。赫胥黎(Huxley)：生物学物种概念(biologicalspeciesconcept):物种是个体间可以自由交配和繁衍的一组自然种群，通过某种隔离机制，使它们在遗传上同其它类似的一组种群相互隔离着。简单地说，物种是一群可以自由交配并产生可育后代的生物群，它们与其它类群在生殖上是隔离的，在地理上占有一定的时间和空间。思想的解放与近代科学的兴起——人类起源的生物学解释

林奈（瑞典人1707-1778):人猿同归于灵长目——静态的相近。拉马克（法国人1744-1829):人类源于类人猿——动态的联系。赫胥黎（英国人1825-1895）:人猿同祖的亲缘关系。达尔文（英国人1809-1882):人类由已经灭绝的古猿进化而来。恩格斯：劳动创造人，亦或制造工具的劳动构成人的特有属性。3、生态系统多样性(生态水平)

遗传和物种多样性是生物多样性的基础，而生态系统多样性是生物多样性的重点。生态系统多样性是指生物圈内生境、生物群落和生态系统的多样性，以及生态系统内生境差异、生态进程变化的多样性。地球上一切物质都是生态系统的组成部分：

生境：非生物部分

生物部分：生产者、消费者和分解者农田生态系统果园生态系统森林生态系统水域生态系统四、生物多样性的意义(重要性)

生物多样性是人类赖以生存的生物资源，是经济得以持续发展的基础。生物多样性与人类的衣、食、住、行密切相关。1、生物多样性是人类的食物来源：(1)人类的食物几乎完全取自生物资源，人类历史上约有5000种植物被用作食物。生物多样性是人类的超级市场。几乎所有的食品者是生物的一部分。

全世界每年要消费1亿吨的野生鱼类。

粮食作物：土豆、水稻、小麦、玉米等；

油料作物：油菜、大豆、花生、芝麻、油葵、胡麻等；蔬菜：白菜、萝卜、黄瓜、西红柿、辣椒、豇豆、西葫芦。水果：桃、李、杏、梅、梨、苹果、山楂、柑桔、香蕉、樱桃等。肉：鸡、鸭、鱼、猪、牛、昆虫、鸟类、野生动物等；蛋：鸡蛋、鸭蛋、鸟蛋等；奶：牛奶、羊奶。象甲幼虫天牛幼虫昆虫宴(2)人类是如何利用生物多样性来满足人们的食物需求的呢？传统育种技术与现代基因工程培育新品种。特点：大大提高了生产力与抗逆性。美国在二十多年前从中国东北采集去了野生大豆的一个类型，与美国栽培大豆杂交后，培育出新的抗旱品种，使美国替代了中国一跃成为最大的大豆出口国。野生遗传资源被用来改良家畜、家禽和农作物，每年价值数十亿美元。

转基因农作物的几种类型抗除草剂农作物：1996，孟山都转基因大豆；孟山都和霍伊斯特-抗除草剂玉米。生物改良新饲料：为人类提供优良的蛋白质并帮助动物吸收磷。促进健康的食品：杜邦和孟山都-有益心脏的食用油的大豆。含天然杀虫剂的农作物：1996年-转基因棉花、玉米和马铃薯。抗疾病农作物：艾尔姆公司正在研究高含量抗癌物质的西红柿等。特种转基因棉花和玉米：孟山都-转基因棉花，以使其出产天然蓝色和黄褐色纤维用于纺织布料。杜邦--开发的一种微生物，有助于在棉花中产生超高弹性聚酯纤维等。杂交水稻之父-袁隆平院士转基因水稻亩产847公斤中国高产杂交水稻----主要是由偶然发现的一株花粉败育野生稻与籼稻杂交而成。中国科学院院士、华中科技大学教授转基因棉花转基因作物的安全性(3)会带来什么问题呢？①、品种越来越少：印度尼西亚，超过1500种稻米已经在过去的15年灭绝了；

在印度，曾经有3万种不同的稻米，而现在75%的稻米产量仅来自其中10种稻米。世界范围内的474种家畜品种已经变得稀少。果树、蔬菜、小麦、玉米、猪、牛、羊、鸡、绵羊也如此。②、病虫害容易变异，造成更大损失

我们正在栽培或养殖品种的生物多样性在减少，就会减弱未来大自然抵御威胁的能力。

病虫变异----大面积发生-----损失惨重；如碧玛一号小麦②、病虫害容易变异，造成更大损失

我们正在栽培或养殖品种的生物多样性在减少，就会减弱未来大自然抵御威胁的能力。

加利福尼亚的大麦埃塞俄比亚大麦

杂交品种黄矮病毒黄矮病毒玉米粗缩病-灰飞虱2、生物多样性与健康人类健康地球健康生物多样性生物多样性与人类健康：①为人类提供药品

世界卫生组织的统计表明，发展中国家80％的人口依靠传统的天然药物治疗疾病，发达国家有40％的药物来自自然资源。根据1995年中国中药资源普查结果，中国有药用植物11146种，药用动物1581种，其中常用的大宗植物和动物药材分别为320种和29种。

白芍板蓝根半夏人参②提取医药治疗疟疾的特效药奎宁，来自南美洲的金鸡纳树；白血病特效药长春新碱，是从非洲马达加斯加岛上原始森林中生长的一种长春花属的野生植物中提取的；阿司匹林最初是从柳树中提取的；能够抑制艾滋病和疟疾的化合物从是非洲的药用植物中提取到的；水蛭素是珍贵的抗凝剂；蜂毒可治疗关节炎；有些蛇毒可治疗高血压。

从生物中提供新药或是新的化学物质的潜力很大③为化学药品提供先导化合物(模板)上述的这些医药，要从植物中提取，不仅费时、费工，而且费用还很昴贵，以其化学结构为先导化合物，进行化工合成，可获得大量、便宜的医药。

另外，现在的很多兽药、农药也是采用这种方法。仿生农药—银果、银泰、仿生安是从银杏中提取获得的先导化合物；拟除虫菊酯类、沙蚕毒素类农药；灭幼脲等④人类防病治病的线索

黑熊在3～7个月的穴居（类似冬眠的一种状态）期间，不吃、不喝，不排泻，但是却能够分娩和哺乳，同时保持骨密度和体重，并且不会患上尿毒症。鲨鱼能形成减少感染和肿瘤产生的抗体及充足的免疫蛋白。等等。

这些研究能取得成功，对于人们解决一些疑难杂症很重要；同时，通过研究其作用的物质，可以人工合成，避免大量乱捕乱杀这些动物或植物，使它们不致灭绝。生物多样性与地球的健康生物多样性维持着地球的生物系统生物之间形成食物链和食物网的关系水稻褐飞虱卵若虫成虫稻虱缨小蜂稻虱红缨小蜂黑肩绿盲蝽稻虱螯蜂黑宽黾蝽稻虱线虫草间小黑蛛拟环纹狼蛛八腹球蛛青翅蚁形隐翅甲黑斑蛙其余环节稻田中一个食物网分支示意图食物网3、生物多样性与我们呼吸的空气生物多样性自动净化空气

绿色植物—吸入二氧化碳—放出氧气；3、生物多样性与我们呼吸的空气生物—吸收有害气体(SO2等)；3、生物多样性与我们呼吸的空气绿色植物—争化空气中的灰尘。

生物多样性就是地球的肺

然而，这个肺正在被人们伤害森林面积正在不断减少；有492种树木物种已经濒临绝；沙漠化严重；森林荒漠化沙尘外来物种的侵入使生物多样性丧失；紫茎泽兰马樱丹水葫芦美洲斑潜蝇克氏螯虾美国白蛾生境片断化；沼泽、湖泊消失；化学农药的大量应用使生物多样性丧失。等等。4、生物多样性与我们喝的水水是生命之源。生物多样性—过滤、净化水资源。5、生物多样性与我们的家住房：房屋、家具的原材料；衣服：棉、毛、其它植物纤维；用品：书、乐器等；取暖、汽车用的石油、煤；化妆品、塑料制品、橡胶等。6、生物多样性与美许多化妆品所含的成分来自于动植物；面霜或洗发液可能就包括植物的提炼汁；生物多样性给我们带来美的享受；裘皮大衣、亚麻衣、绸缎等；花园、植物园、校园；家庭植物；自然风景等。7、生物多样性与气候和灾难地球的气候正在变化—珊瑚礁死亡、大型泥石流、不寻常的暴雨、一些地区的持续干旱。疾病增多，暴发频繁；风沙暴；气候变暖8、生物多样性与人类文明46亿年前地球形成—38亿年前开始有生物—演化了众多生物—人类产生200-300万年；没有生物的多样性，就没有人类。20亿年前--细菌、硅藻6亿年—水母、珊瑚5亿年—三叶虫3.5亿年—鱼类2.3亿年前1200万年前人类文明经过了三个阶段：采猎文明农业文明工业文明不同阶段人类对自然的影响不同。(1)采猎文明时期：生产力水平很低，人的数量有限，人类对自然环境的破坏能力也很小。(2)农业文明时期：人类与自然的关系经历了一次历史性的变化。在这一转变过程中，火的利用起到了最重要的作用。由于火的使用，人类开始了改造自然、驾驭自然的艰难而漫长的历程。火使人类开始由被动适应环境转向主动改造环境。制造工具—过度捕猎—大型动物灭绝（如美洲野牛）在农业文明以前，人口很少，人类活动的范围有限，对自然的影响力还很低，人类在很大程度上仍旧依附于自然环境。农业文明以后，人口大量增加，人类有目的地耕种和驯养，成为人们获取食物的主要手段。但生产力水平低下，人们主要通过不断地扩大耕种面积来增加粮食产量。持续地开垦土地和草原