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1、污染生态学污染生态学Pollution Ecology 第五章 生物对长期污染的生态效应与适应进化 Chapter 5:Ecologic responses and adaptative evolution under long-termed pollution 主讲：环境科学与工程学院 王宏镔 2021年11月4日1内容提要内容提要一、生物多样性的丧失一、生物多样性的丧失 二、生物对污染的适应二、生物对污染的适应三、污染条件下生物的分化与微进化三、污染条件下生物的分化与微进化2一、生物多样性的丧失一、生物多样性的丧失 1994年年12月月29日，联合国大会日，联合国大会49/119号决议号决
2、议案宣布案宣布12月月29日为日为“国际生物多样性日。国际生物多样性日。1992年在巴西首都里约热内卢召开的联合国年在巴西首都里约热内卢召开的联合国环境与开展大会上，环境与开展大会上，153个国家签署了个国家签署了?生物生物多样性公约多样性公约?。从从1995年起，联合国将每年的年起，联合国将每年的12月月29日确定日确定为为“国际生物多样性日。国际生物多样性日。2001年根据第年根据第55届联合国大会第届联合国大会第201号决议，号决议，国际生物多样性日由原来的每年国际生物多样性日由原来的每年12月月29日改日改为为5月月22日。日。3世界物种灭绝的趋势世界物种灭绝的趋势4生物多样性生物多样
3、性(biodiversity)的四个层的四个层次次物种多样性物种多样性species diversity遗传多样性遗传多样性genetic diversity生态系统多样性生态系统多样性(ecosystem diversity)景观多样性景观多样性(landscape diversity)5污染条件下生物在不同层次上的多样污染条件下生物在不同层次上的多样性变化性变化 8遗传多样性水平降低的可能原因遗传多样性水平降低的可能原因 在污染条件下，种群的敏感性个体消失，这些个体在污染条件下，种群的敏感性个体消失，这些个体所具有的特异性遗传多样性也因此不复存在，从所具有的特异性遗传多样性也因此不复存在，
4、从而整个种群的遗传多样性水平降低；而整个种群的遗传多样性水平降低；污染引起种群的规模减小，由于随机的遗传漂变，污染引起种群的规模减小，由于随机的遗传漂变，降低了种群的遗传多样性水平；降低了种群的遗传多样性水平；污染引起种群数量减小，以至于到达了种群的遗传污染引起种群数量减小，以至于到达了种群的遗传学瓶颈学瓶颈bottle neck，即使种群最后实现了完，即使种群最后实现了完全的适应，并恢复到原来的种群数量时，由于建全的适应，并恢复到原来的种群数量时，由于建立者效应立者效应founder effects，从而造成遗传来源，从而造成遗传来源单一，遗传变异性的来源也大大降低。单一，遗传变异性的来源也
5、大大降低。9 遗传漂变遗传漂变遗传漂变遗传漂变(random genetic drift):一个小群体中，由于一个小群体中，由于偶然事件导致群体中基因频率的改变。偶然事件导致群体中基因频率的改变。遗传漂变的特点：遗传漂变的特点：1.遗传漂变与抽取的样本数有关，样本数越小基遗传漂变与抽取的样本数有关，样本数越小基因频率的波动越大，样本数越大基因频率的波动因频率的波动越大，样本数越大基因频率的波动越小；越小；2.环境条件的改变可能造成遗传漂变。环境使原环境条件的改变可能造成遗传漂变。环境使原来群体的局部隔离来群体的局部隔离,造成基因频率的改变。造成基因频率的改变。10四遗传瓶颈与建立者效应四遗传瓶
6、颈与建立者效应如果一个种群在某一时期由如果一个种群在某一时期由于环境灾难或过捕等原于环境灾难或过捕等原因数量急剧下降，就称因数量急剧下降，就称其经过了瓶颈其经过了瓶颈bottle neck。经过瓶颈后，如果种群一直经过瓶颈后，如果种群一直很小，那么由于遗传漂很小，那么由于遗传漂变的作用，其遗传变异变的作用，其遗传变异会迅速降低，最后可能会迅速降低，最后可能致使种群灭绝。另一方致使种群灭绝。另一方面，种群数量在经过瓶面，种群数量在经过瓶颈后也可能逐步恢复。颈后也可能逐步恢复。11四遗传瓶颈与建立者效应四遗传瓶颈与建立者效应建立者效应建立者效应founder effect：在建立一个新种在建立一个
7、新种群时，最初群体群时，最初群体的大小与遗传组的大小与遗传组成对新建立种群成对新建立种群的遗传结构的影的遗传结构的影响。响。12瓶颈效应反映一种极端典型的瓶颈效应反映一种极端典型的遗传漂变现象遗传漂变现象13滇池污染引起物种多样性的变化滇池污染引起物种多样性的变化 罗民波，段昌群等，2006 14污染引起物种多样性降低的机理污染引起物种多样性降低的机理 污染物的直接毒害作用，阻碍生物的正常生长发污染物的直接毒害作用，阻碍生物的正常生长发 育，使生物丧失生存或繁衍的能力；育，使生物丧失生存或繁衍的能力；污染引起生境的改变，使生物丧失了生存的环境；污染引起生境的改变，使生物丧失了生存的环境；生态系
8、统中的富集和积累作用，使食物链后端的生生态系统中的富集和积累作用，使食物链后端的生物中毒而难以存活或繁育等。物中毒而难以存活或繁育等。15森林生态系统对污染的响应阶段森林生态系统对污染的响应阶段16森林生态系统对污染的响应阶段森林生态系统对污染的响应阶段17二、生物对污染的适应二、生物对污染的适应一生物对污染适应的一般原理一生物对污染适应的一般原理1.生物对污染适应的两重性生物对污染适应的两重性 生物对污染的适应，实际上包括两个方面生物对污染的适应，实际上包括两个方面:对污染引起的对污染引起的“自然环境的改变外环境的变化自然环境的改变外环境的变化的适应以及对污染引起生物的生理变化的适应以及对污
9、染引起生物的生理变化内环境的变化的适应；内环境的变化的适应；生物对污染物自身的适应。生物对污染物自身的适应。18 全球性污染条件的环境特点全球性污染条件的环境特点全新的全新的“人造环境；人造环境；化学物质种类多；化学物质种类多；毒害大，选择作用强；毒害大，选择作用强；成为重要的主导因子和限制因子。成为重要的主导因子和限制因子。19二、生物对污染的适应二、生物对污染的适应 二生物对污染的适应性反响形态结构上的适应性反响生理上的适应性反响遗传上的适应性反响20形态结构上的适应性反响形态结构上的适应性反响不同适应性水平的小麦在重金属污染环境中的数量性状变化不同适应性水平的小麦在重金属污染环境中的数量
10、性状变化(马建民，王焕校，1998)21生理上的适应性反响生理上的适应性反响22遗传上的适应性反响遗传上的适应性反响不同污染经历后玉米种群等位酶位点多样性变化不同污染经历后玉米种群等位酶位点多样性变化段昌群段昌群,199723遗传上的适应性反响遗传上的适应性反响不同污染经历后曼陀罗种群等位酶位点多样性变化不同污染经历后曼陀罗种群等位酶位点多样性变化 段昌群,199724三、污染条件下生物的分化与微进化三、污染条件下生物的分化与微进化一污染引起的种群分化过程一污染引起的种群分化过程污染物作用下种群中敏感个体消失，种群规模减小；污染物作用下种群中敏感个体消失，种群规模减小；到达适应污染阈值最低要求
11、的个体，不断扩大在种到达适应污染阈值最低要求的个体，不断扩大在种群中的比例；群中的比例；抗性个体在种群中的比率扩大，并通过种群内的基抗性个体在种群中的比率扩大，并通过种群内的基因重组，不断提高抗性水平；同时外来基因的流入，因重组，不断提高抗性水平；同时外来基因的流入，提高种群的整体遗传多样性水平。提高种群的整体遗传多样性水平。25三、污染条件下生物的分化与微进化三、污染条件下生物的分化与微进化二影响植物污染抗性进化的生物因素二影响植物污染抗性进化的生物因素 生活史特征生活史特征植物的种子库植物的种子库表型的可塑性表型的可塑性植物的生殖特征植物的生殖特征 植物的传粉系统植物的传粉系统26三、污染
12、条件下生物的分化与微进化三、污染条件下生物的分化与微进化三生物对污染适应的代价三生物对污染适应的代价 生态代价生态代价ecological cost：对污染适应的生物，在进入到：对污染适应的生物，在进入到正常环境中时，它的竞争力降低；同时还伴随有对温度、正常环境中时，它的竞争力降低；同时还伴随有对温度、水分、病虫害的抵抗能力下降。水分、病虫害的抵抗能力下降。生理代价生理代价physiological cost:指对污染适应的生物，在某指对污染适应的生物，在某些生理性能上低于正常植物。些生理性能上低于正常植物。进化代价进化代价evolutionary cost:指对污染适应很好的植物在指对污染适
13、应很好的植物在其他环境中进化开展的灵活度降低，以致于可能失去适应其他环境中进化开展的灵活度降低，以致于可能失去适应其他环境的可能性。其他环境的可能性。27三、污染条件下生物的分化与微进化三、污染条件下生物的分化与微进化四污染条件下生物分化与进化的一般趋势四污染条件下生物分化与进化的一般趋势污染大大加快了生物分化的进程。污染大大加快了生物分化的进程。污染条件是绝大多数生物从来没有经历过的新型环污染条件是绝大多数生物从来没有经历过的新型环境胁迫，生物对新环境的适应机制可能不同于自然境胁迫，生物对新环境的适应机制可能不同于自然条件下的生物，对于后者是一个在已有遗传根底上条件下的生物，对于后者是一个在
14、已有遗传根底上进行调整的问题，而对于前者那么是一个从无到有进行调整的问题，而对于前者那么是一个从无到有的遗传适应创立问题。的遗传适应创立问题。污染条件下，生物偏离了对一般自然环境的适应，污染条件下，生物偏离了对一般自然环境的适应，改为以对污染环境为主导对象的适应。改为以对污染环境为主导对象的适应。在污染环境中，没有适应潜力的，将被淘汰；而有在污染环境中，没有适应潜力的，将被淘汰；而有适应潜力的，将发生种群重建。适应潜力的，将发生种群重建。28三、污染条件下生物的分化与微进化三、污染条件下生物的分化与微进化 曼陀罗种群分化的实际时间和理论时间的比较 段昌群，199729复习思考题复习思考题1.为
15、什么说环境污染是现存生物面临的全新环境？植为什么说环境污染是现存生物面临的全新环境？植物应对这种环境面临的最大挑战是什么？物应对这种环境面临的最大挑战是什么？2.生物对污染环境的长期生态学效应有哪些？各有何生物对污染环境的长期生态学效应有哪些？各有何特点？特点？3.污染为什么会影响生物多样性的变化？污染为什么会影响生物多样性的变化？4.生物适应污染环境和适应自然胁迫环境有何不同？生物适应污染环境和适应自然胁迫环境有何不同？以植物为例，分析如何研究生物对污染环境的适以植物为例，分析如何研究生物对污染环境的适应性？应性？5.生物对污染环境的适应将付出哪些代价？这些代价生物对污染环境的适应将付出哪些代价？这些代价对保护生物多样性和在污染条件下开展农业生产对保护生物多样性和在污染条件下开展农业生产具有什么启示？具有什么启示？30谢谢！谢谢！31
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