地球科學(xué)-第一章

地球科學(xué)農(nóng)學(xué)與植物保護(hù)學(xué)院袁忠林zhongliny@163.comOffice:86080446Cellphone言地球科學(xué)(EarthScience)：指一切研究地球的科學(xué)。各學(xué)科通常會以物理、地理、地質(zhì)、氣象、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物的角度研究地球。它和人類的生活息息相關(guān)。地球科學(xué)是一門很基礎(chǔ)、很重要的學(xué)科。地球科學(xué)可涵蓋的學(xué)科：自然地理、氣象學(xué)、植物學(xué)、動物學(xué)、微生物學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、海洋學(xué)、氣候?qū)W、大氣物理學(xué)、地球動力學(xué)、古生物學(xué)、地磁學(xué)等。這里主要講一下地球上生物的多樣性(Biodiversity)及其分布格局的成因。第一章：生物多樣性

Chapter1:Biodiversity

第一節(jié)、生物多樣性的概念、組成及意義一、生物多樣性的概念1、多樣性(Diversity)

簡單來說就是“各種各樣”的意思。動物－各種各樣的動物；現(xiàn)已知150萬種。有翅膀，能飛行個體小繁殖力強(qiáng)器官多樣化不同的變態(tài)類型適應(yīng)性強(qiáng)植物－各種各樣的植物；現(xiàn)已知植物50萬種。微生物－各種各樣的微生物?，F(xiàn)已知細(xì)菌3000多種，真菌6900種。一、生物多樣性的概念1845-1846Irishfamine,餓死幾十萬，逃荒150萬(DeBary)（馬鈴薯晚疫病，1861）1942-1943Bengalfamine，1943餓死200萬人（水稻胡麻斑病）2、生物多樣性生物多樣性的概念，就像許多其它學(xué)科概念一樣，至今還沒有一個嚴(yán)格、統(tǒng)一的定義。目前，對生物多樣性的含義有許多解釋，但所表述的內(nèi)容基本一致。1987年美國國會技術(shù)評價辦公室（OTA）將生物多樣性定義為：“生物之間的多樣化和變異性及物種生境的生態(tài)復(fù)雜性?！?/p>

1992年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展會議（UNCED）簽署的《生物多樣性公約》將生物多樣性定義為：“生物多樣性是指所有來源的形形色色的生物體，這些來源包括陸地、海洋和其他水生生態(tài)系統(tǒng)及其所構(gòu)成的生態(tài)綜合體；還包括物種內(nèi)部、物種之間和生態(tài)系統(tǒng)的多樣性?！?/p>

1995年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）發(fā)表的關(guān)于全球生物多樣性的巨著《全球生物多樣性評估》給出一個較簡單的定義:“生物多樣性是所有生物種類、種內(nèi)遺傳變異和它們與生存環(huán)境構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)的總稱”。1993年陳靈芝認(rèn)為，“生物多樣性是所有生物種類、種內(nèi)遺傳變異和它們的生存環(huán)境的總稱，包括所有不同種類的動物、植物和微生物，它們所擁有的基因，以及它們與生存環(huán)境所組成的生態(tài)系統(tǒng)”。因此，生物多樣性這一定義可以從三個層次上理解。1）生物之間的多樣化。指地球上存在形形色色的各種生物，這是物種層次上的多樣性。2）生物之間的變異性。指生物物種所包含的基因、基因型存在多樣化和可變性，這是基因?qū)哟紊系亩鄻有浴８鞣N各樣的蝴蝶蘭細(xì)胞的有絲分裂DNA結(jié)構(gòu)紡錘絲3）生境的生態(tài)復(fù)雜性。指地球表面分布著各種各樣的生態(tài)系統(tǒng)類型及由此構(gòu)成的各種生態(tài)環(huán)境，這是生態(tài)系統(tǒng)層次上的多樣性。常綠闊葉林(低緯度)落葉林(亞熱帶)針葉林(中緯度)高山草甸(高原或高緯度)地中海硬葉森林

{熱帶雨林Tropicalrainforest落葉林Deciduousforest針葉林Coniferousforest長白山苔原ChangbaiMt.Tundra因此，生物多樣性是指“生命有機(jī)體及其借以生存的生態(tài)復(fù)合體的多樣性和變異性，包括所有的植物、動物和微生物物種以及所有的生態(tài)系統(tǒng)及其形成的生態(tài)過程”。

物種多樣性是基本內(nèi)容；遺傳多樣性由物種攜帶；生態(tài)系統(tǒng)多樣性由物種構(gòu)筑。因此，生物多樣性是指地球上動物、植物和微生物的多樣性和變異性的總和，以及它們所存在的生態(tài)環(huán)境，它不僅是人類生存的基礎(chǔ)，也構(gòu)成了人類生存的生物圈環(huán)境。生物多樣性包括遺傳多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性。物種最豐富的自然環(huán)境在海洋和熱帶雨林，甚至海洋生態(tài)系統(tǒng)比陸地更豐富。人類也是生物多樣性的一部分。生物多樣性使生命在這個行星上變得可能。

二、生物多樣性的組成如前所述，生物多樣性是由動物、植物和微生物及其生態(tài)系統(tǒng)所組成的。生物有多少物種呢？---一個簡單而難以準(zhǔn)確回答的問題。地球——是我們已知的唯一具有生命的星球。形形色色的物種構(gòu)成了豐富多彩的世界。地球上究竟有多少物種，這是一個簡單而又很難回答的問題。因為至今還沒有一個、甚至是小的類群真正被完全描述和命名。Wilson認(rèn)為現(xiàn)已知有200多萬種動物、植物和微生物，但有人估計有400萬。----同物異名&異物同名。同物異名：一個物種具有兩個或兩個以上的名稱；異物同名：即不同物種具有同樣的名字。按照生物命名法規(guī)，一個物種只能有一個有效名，這個有效名是拉丁文，也叫做學(xué)名，其它名稱均為無效名。如：飛蝗LocustamigratoriaL.

在已知的動物150萬種中，昆蟲就占100萬種，占2/3。熱帶生物學(xué)家Erwin推測物種數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個數(shù)字，熱帶昆蟲大約有3000萬種。他這一結(jié)論是對巴拿馬地區(qū)一種植物L(fēng)uecheaseemannii上甲蟲的數(shù)量研究所推測到的，從19棵樹上收集到了1200種甲蟲。甲蟲的數(shù)量最多，約占整個生物的25%。為了證實Erwin的結(jié)論，倫敦國家歷史博物館的Stork和Gaston對熱帶加里曼丹島森林昆蟲進(jìn)行了研究，表明世界上約有1000萬—8000萬種節(jié)肢動物。昆蟲新目—螳（蟲脩）目Mantophasmatodea,2002，OliverZompro

現(xiàn)在還沒有人能正確估計微生物的數(shù)量，現(xiàn)已知細(xì)菌3000多種，真菌6900種，但英國皇家植物園的Hawksworth認(rèn)為，真菌就有160萬種之多，因為人們對海洋微生物的研究甚少。桿菌真菌病毒

三、生物多樣性的等級層次生物多樣性是一個復(fù)雜的、多學(xué)科綜合的和內(nèi)涵極其豐富的概念群。可劃分為4個層次：

遺傳多樣性（geneticdiversity）

物種多樣性（speciesdiversity）

生態(tài)系統(tǒng)多樣性（ecosystemdiversity）

景觀多樣性（landscapediversity）1、遺傳多樣性(微觀水平)

遺傳多樣性是生物多樣性的內(nèi)在形式。廣義的遺傳多樣性是指地球上所有生物所攜帶的遺傳信息的總和，通常談及生態(tài)系統(tǒng)多樣性或物種多樣性時也就包含了各自的遺傳多樣性。狹義的遺傳多樣性主要指生物種內(nèi)不同群體或同一群體內(nèi)不同個體的遺傳變異的總和，蘊(yùn)藏在動植物和微生物個體的基因。

SolanummelongenaL2、物種多樣性(種群水平)物種多樣性是生物多樣性最直觀的體現(xiàn)，是生物多樣性概念的核心。它指有生命的有機(jī)體即動物、植物、微生物物種的多樣性。多種多樣的物種是生態(tài)系統(tǒng)不可缺少的組成部分。草鴞長耳鴞長尾林鴞雕鴞褐林鴞紅角鴞浩葉蟬Leafhopper,2萬多種物種的概念林奈：神創(chuàng)論概念(typologicalspeciesconcept):物種是上帝創(chuàng)造的，物種不變，模式種概念。達(dá)爾文：進(jìn)化物種概念(evolutionaryspeciesconcept):物種是一個獨(dú)立的進(jìn)化分支，與其它分支相比，經(jīng)歷了自已獨(dú)特的進(jìn)化歷史，有特有的進(jìn)化特征、進(jìn)化潛力和進(jìn)化趨勢，是具有祖裔關(guān)系的一系列自然種群的進(jìn)化事件的總和。赫胥黎(Huxley)：生物學(xué)物種概念(biologicalspeciesconcept):物種是個體間可以自由交配和繁衍的一組自然種群，通過某種隔離機(jī)制，使它們在遺傳上同其它類似的一組種群相互隔離著。簡單地說，物種是一群可以自由交配并產(chǎn)生可育后代的生物群，它們與其它類群在生殖上是隔離的，在地理上占有一定的時間和空間。思想的解放與近代科學(xué)的興起——人類起源的生物學(xué)解釋

林奈（瑞典人1707-1778):人猿同歸于靈長目——靜態(tài)的相近。拉馬克（法國人1744-1829):人類源于類人猿——動態(tài)的聯(lián)系。赫胥黎（英國人1825-1895）:人猿同祖的親緣關(guān)系。達(dá)爾文（英國人1809-1882):人類由已經(jīng)滅絕的古猿進(jìn)化而來。恩格斯：勞動創(chuàng)造人，亦或制造工具的勞動構(gòu)成人的特有屬性。3、生態(tài)系統(tǒng)多樣性(生態(tài)水平)

遺傳和物種多樣性是生物多樣性的基礎(chǔ)，而生態(tài)系統(tǒng)多樣性是生物多樣性的重點(diǎn)。生態(tài)系統(tǒng)多樣性是指生物圈內(nèi)生境、生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，以及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生境差異、生態(tài)進(jìn)程變化的多樣性。地球上一切物質(zhì)都是生態(tài)系統(tǒng)的組成部分：

生境：非生物部分

生物部分：生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)果園生態(tài)系統(tǒng)森林生態(tài)系統(tǒng)水域生態(tài)系統(tǒng)四、生物多樣性的意義(重要性)

生物多樣性是人類賴以生存的生物資源，是經(jīng)濟(jì)得以持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。生物多樣性與人類的衣、食、住、行密切相關(guān)。1、生物多樣性是人類的食物來源：(1)人類的食物幾乎完全取自生物資源，人類歷史上約有5000種植物被用作食物。生物多樣性是人類的超級市場。幾乎所有的食品者是生物的一部分。

全世界每年要消費(fèi)1億噸的野生魚類。

糧食作物：土豆、水稻、小麥、玉米等；

油料作物：油菜、大豆、花生、芝麻、油葵、胡麻等；蔬菜：白菜、蘿卜、黃瓜、西紅柿、辣椒、豇豆、西葫蘆。水果：桃、李、杏、梅、梨、蘋果、山楂、柑桔、香蕉、櫻桃等。肉：雞、鴨、魚、豬、牛、昆蟲、鳥類、野生動物等；蛋：雞蛋、鴨蛋、鳥蛋等；奶：牛奶、羊奶。象甲幼蟲天牛幼蟲昆蟲宴(2)人類是如何利用生物多樣性來滿足人們的食物需求的呢？傳統(tǒng)育種技術(shù)與現(xiàn)代基因工程培育新品種。特點(diǎn)：大大提高了生產(chǎn)力與抗逆性。美國在二十多年前從中國東北采集去了野生大豆的一個類型，與美國栽培大豆雜交后，培育出新的抗旱品種，使美國替代了中國一躍成為最大的大豆出口國。野生遺傳資源被用來改良家畜、家禽和農(nóng)作物，每年價值數(shù)十億美元。

轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的幾種類型抗除草劑農(nóng)作物：1996，孟山都轉(zhuǎn)基因大豆；孟山都和霍伊斯特-抗除草劑玉米。生物改良新飼料：為人類提供優(yōu)良的蛋白質(zhì)并幫助動物吸收磷。促進(jìn)健康的食品：杜邦和孟山都-有益心臟的食用油的大豆。含天然殺蟲劑的農(nóng)作物：1996年-轉(zhuǎn)基因棉花、玉米和馬鈴薯?？辜膊∞r(nóng)作物：艾爾姆公司正在研究高含量抗癌物質(zhì)的西紅柿等。特種轉(zhuǎn)基因棉花和玉米：孟山都-轉(zhuǎn)基因棉花，以使其出產(chǎn)天然藍(lán)色和黃褐色纖維用于紡織布料。杜邦--開發(fā)的一種微生物，有助于在棉花中產(chǎn)生超高彈性聚酯纖維等。雜交水稻之父-袁隆平院士轉(zhuǎn)基因水稻畝產(chǎn)847公斤中國高產(chǎn)雜交水稻----主要是由偶然發(fā)現(xiàn)的一株花粉敗育野生稻與秈稻雜交而成。中國科學(xué)院院士、華中科技大學(xué)教授轉(zhuǎn)基因棉花轉(zhuǎn)基因作物的安全性(3)會帶來什么問題呢？①、品種越來越少：印度尼西亞，超過1500種稻米已經(jīng)在過去的15年滅絕了；

在印度，曾經(jīng)有3萬種不同的稻米，而現(xiàn)在75%的稻米產(chǎn)量僅來自其中10種稻米。世界范圍內(nèi)的474種家畜品種已經(jīng)變得稀少。果樹、蔬菜、小麥、玉米、豬、牛、羊、雞、綿羊也如此。②、病蟲害容易變異，造成更大損失

我們正在栽培或養(yǎng)殖品種的生物多樣性在減少，就會減弱未來大自然抵御威脅的能力。

病蟲變異----大面積發(fā)生-----損失慘重；如碧瑪一號小麥②、病蟲害容易變異，造成更大損失

我們正在栽培或養(yǎng)殖品種的生物多樣性在減少，就會減弱未來大自然抵御威脅的能力。

加利福尼亞的大麥埃塞俄比亞大麥

雜交品種黃矮病毒黃矮病毒玉米粗縮病-灰飛虱2、生物多樣性與健康人類健康地球健康生物多樣性生物多樣性與人類健康：①為人類提供藥品

世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計表明，發(fā)展中國家80％的人口依靠傳統(tǒng)的天然藥物治療疾病，發(fā)達(dá)國家有40％的藥物來自自然資源。根據(jù)1995年中國中藥資源普查結(jié)果，中國有藥用植物11146種，藥用動物1581種，其中常用的大宗植物和動物藥材分別為320種和29種。

白芍板藍(lán)根半夏人參②提取醫(yī)藥治療瘧疾的特效藥奎寧，來自南美洲的金雞納樹；白血病特效藥長春新堿，是從非洲馬達(dá)加斯加島上原始森林中生長的一種長春花屬的野生植物中提取的；阿司匹林最初是從柳樹中提取的；能夠抑制艾滋病和瘧疾的化合物從是非洲的藥用植物中提取到的；水蛭素是珍貴的抗凝劑；蜂毒可治療關(guān)節(jié)炎；有些蛇毒可治療高血壓。

從生物中提供新藥或是新的化學(xué)物質(zhì)的潛力很大③為化學(xué)藥品提供先導(dǎo)化合物(模板)上述的這些醫(yī)藥，要從植物中提取，不僅費(fèi)時、費(fèi)工，而且費(fèi)用還很昴貴，以其化學(xué)結(jié)構(gòu)為先導(dǎo)化合物，進(jìn)行化工合成，可獲得大量、便宜的醫(yī)藥。

另外，現(xiàn)在的很多獸藥、農(nóng)藥也是采用這種方法。仿生農(nóng)藥—銀果、銀泰、仿生安是從銀杏中提取獲得的先導(dǎo)化合物；擬除蟲菊酯類、沙蠶毒素類農(nóng)藥；滅幼脲等④人類防病治病的線索

黑熊在3～7個月的穴居（類似冬眠的一種狀態(tài)）期間，不吃、不喝，不排瀉，但是卻能夠分娩和哺乳，同時保持骨密度和體重，并且不會患上尿毒癥。鯊魚能形成減少感染和腫瘤產(chǎn)生的抗體及充足的免疫蛋白。等等。

這些研究能取得成功，對于人們解決一些疑難雜癥很重要；同時，通過研究其作用的物質(zhì)，可以人工合成，避免大量亂捕亂殺這些動物或植物，使它們不致滅絕。生物多樣性與地球的健康生物多樣性維持著地球的生物系統(tǒng)生物之間形成食物鏈和食物網(wǎng)的關(guān)系水稻褐飛虱卵若蟲成蟲稻虱纓小蜂稻虱紅纓小蜂黑肩綠盲蝽稻虱螯蜂黑寬黽蝽稻虱線蟲草間小黑蛛擬環(huán)紋狼蛛八腹球蛛青翅蟻形隱翅甲黑斑蛙其余環(huán)節(jié)稻田中一個食物網(wǎng)分支示意圖食物網(wǎng)3、生物多樣性與我們呼吸的空氣生物多樣性自動凈化空氣

綠色植物—吸入二氧化碳—放出氧氣；3、生物多樣性與我們呼吸的空氣生物—吸收有害氣體(SO2等)；3、生物多樣性與我們呼吸的空氣綠色植物—爭化空氣中的灰塵。

生物多樣性就是地球的肺

然而，這個肺正在被人們傷害森林面積正在不斷減少；有492種樹木物種已經(jīng)瀕臨絕；沙漠化嚴(yán)重；森林荒漠化沙塵外來物種的侵入使生物多樣性喪失；紫莖澤蘭馬櫻丹水葫蘆美洲斑潛蠅克氏螯蝦美國白蛾生境片斷化；沼澤、湖泊消失；化學(xué)農(nóng)藥的大量應(yīng)用使生物多樣性喪失。等等。4、生物多樣性與我們喝的水水是生命之源。生物多樣性—過濾、凈化水資源。5、生物多樣性與我們的家住房：房屋、家具的原材料；衣服：棉、毛、其它植物纖維；用品：書、樂器等；取暖、汽車用的石油、煤；化妝品、塑料制品、橡膠等。6、生物多樣性與美許多化妝品所含的成分來自于動植物；面霜或洗發(fā)液可能就包括植物的提煉汁；生物多樣性給我們帶來美的享受；裘皮大衣、亞麻衣、綢緞等；花園、植物園、校園；家庭植物；自然風(fēng)景等。7、生物多樣性與氣候和災(zāi)難地球的氣候正在變化—珊瑚礁死亡、大型泥石流、不尋常的暴雨、一些地區(qū)的持續(xù)干旱。疾病增多，暴發(fā)頻繁；風(fēng)沙暴；氣候變暖8、生物多樣性與人類文明46億年前地球形成—38億年前開始有生物—演化了眾多生物—人類產(chǎn)生200-300萬年；沒有生物的多樣性，就沒有人類。20億年前--細(xì)菌、硅藻6億年—水母、珊瑚5億年—三葉蟲3.5億年—魚類2.3億年前1200萬年前人類文明經(jīng)過了三個階段：采獵文明農(nóng)業(yè)文明工業(yè)文明不同階段人類對自然的影響不同。(1)采獵文明時期：生產(chǎn)力水平很低，人的數(shù)量有限，人類對自然環(huán)境的破壞能力也很小。(2)農(nóng)業(yè)文明時期：人類與自然的關(guān)系經(jīng)歷了一次歷史性的變化。在這一轉(zhuǎn)變過程中，火的利用起到了最重要的作用。由于火的使用，人類開始了改造自然、駕馭自然的艱難而漫長的歷程。火使人類開始由被動適應(yīng)環(huán)境轉(zhuǎn)向主動改造環(huán)境。制造工具—過度捕獵—大型動物滅絕（如美洲野牛）在農(nóng)業(yè)文明以前，人口很少，人類活動的范圍有限，對自然的影響力還很低，人類在很大程度上仍舊依附于自然環(huán)境。農(nóng)業(yè)文明以后，人口大量增加，人類有目的地耕種和馴養(yǎng)，成為人們獲取食物的主要手段。但生產(chǎn)力水平低下，人們主要通過不斷地擴(kuò)大耕種面積來增加糧食產(chǎn)量。持續(xù)地開墾土地和草原