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生态学 Ecology. 主讲教师 : 宋关玲. 电话 :2773760 ;13070600647 Email:sglhit.student@sina.com. 教材 及参考书. 参考书目： 《 基础生态学 》 ，孙儒泳主编，北京：高等教育出版社， 2002 ； 《 生态学 》 ，曹凑贵主编，北京：中国农大出版社， 2000 ； 《 普通生态学 》 ，孙儒泳等主编，北京：高等教育出版社， 1993 ； 《 生态学 》 ，李博主编，北京：高等教育出版社， 2000. Serious issues in the 21th century in the world.
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生态学Ecology 主讲教师: 宋关玲 • 电话:2773760 ;13070600647 • Email:sglhit.student@sina.com
教材及参考书 • 参考书目：《基础生态学》，孙儒泳主编，北京：高等教育出版社，2002； • 《生态学》，曹凑贵主编，北京：中国农大出版社，2000； • 《普通生态学》，孙儒泳等主编，北京：高等教育出版社，1993； • 《生态学》，李博主编，北京：高等教育出版社，2000
Serious issues in the 21th century in the world • Population • Food supplies • Environment • Energy sources • Diseases
目录 • 第一章 绪论 • 第二章 生物与环境。 • 第三章 个体生态学 • 第四章 群落生态学 • 第五章 生态系统生态学 • 第六章 大尺度及应用生态学
第一章 绪论 • 第一节 环境与生物的关系 • 第二节 生态学的定义 • 第三节 生态学的研究对象 • 第四节 生态学的研究方法 • 第五节 生态学的分支学科 • 复习思考题
第一节 环境与生物关系历史沿革 • 一、生物与环境关系 • 1 生命是环境的产物 • 原始的地球： 地球形成之初，表面笼罩着原始的还原性大气，没有氧气、臭氧层，紫外线强烈地照射着地面，地球上没有任何生命，只有浅海、岩石和笼罩其上的薄层气体； • 生命的化学演化：经历漫长的化学演化过程，大约在35~38亿年间地球上出现了原始的生命——光合自氧生物蓝绿藻（Cyanophyta）； • 生命的生物演化：原始的生命在遗传、变异和自然选择的长期作用下，经历了由低级到高级、由简单到复杂的演化过程，形成了现存的多样性的生物类群。目前地球上至少有1000万种生物。 • 2生命在进化和发展过程中对环境产生重大影响 • 3生物与环境密切相关、相互依存
2 生命在进化和发展过程中对环境产生重大影响 • 大气层的变化： 原始的生命在海洋中繁殖、蔓延，消耗CO2，释放O2，地球表面逐渐形成氧化性大气和臭氧层，紫外线辐射减弱，昼夜温差缩小，为原始生命的演化和发展创造了条件； • 土壤的形成：由于物理、化学和生物因素的共同作用，地球岩石圈的表面形成土壤，为陆生生物的生活提供了基质，为陆生生物的登陆创造了条件； • 绿色植物登陆：距今4亿年前绿色植物登陆，改变了以往大陆一片荒漠的景观，使大陆逐渐披上绿装而富有生机 。不仅如此，陆生植物的出现、进化与发展，完善了全球生态体系。陆生植物具有海生藻类无法比拟的更加强大的生产能力，而且其光合作用大量吸收CO2、排放O2，为提高大气中游离氧含量做出了重大贡献。因此，４亿年前的植物登陆是地球发展史上的重大事件，如果没有植物登陆的成功，便没有今日的世界。
3 生物与环境密切相关、相互依存 • 现在的生物圈是生物与环境长期协同进化的产物，环境的稳定依靠生物来调控和维持，生物与环境之间存在密切相关、相互依存，共同影响着生物圈的命运和全球环境的变迁。 • 例一：化学农药——DDT的使用对人类产生的影响 • 杀灭害虫的同时，杀灭益虫，导致生态失衡、环境恶化，害虫谱发生变化，50多种非主流害虫演变成主流害虫，农林医害虫并未得到根本遏止； • 南极企鹅的体内、乳母的乳汁中检测出DDT, DDT已经进入通过全球生物地化循环影响到全球生态系统，没一种生物都在劫难逃，每个人都是生态灾害的受害者，保护环境人人有责； • 例二：注重经济效益、不注重生态效益，导致环境恶化
修筑水库、堤坝，不注意对水、热、生物资源的影响，导致河流干涸，地下水不能得到有效补给，沿岸地区水资源贫乏，生态环境恶化，经济发展受到严重影响；修筑水库、堤坝，不注意对水、热、生物资源的影响，导致河流干涸，地下水不能得到有效补给，沿岸地区水资源贫乏，生态环境恶化，经济发展受到严重影响； • 例三：退耕换林还草工程的潜在危机 • 外来物种不合理引入，对本地生态环境产生严重威胁； • 大米草在福建、浙江沿海肆虐； • 水葫芦、凤眼莲称雄河道水体，导致交通航运堵塞； • 按树（澳洲）引入海南，导致土壤贫瘠，环境恶化。 • 外来物种入侵与外来文化渗透
二、人类与环境关系的历史： • 原始社会至文艺复兴前：人类是自然的附属物； • 文艺复兴至20世纪中叶：人类是自然的征服者和驾驭者； • 20世纪后期至今：人与自然和谐共处，人类—自然—社会可持续发展。 • 人类与环境的关系是人类认识自然、认识自我的发展过程的产物，人类与环境之间的这种关系体现在人类文化、科学等方方面面。
第二节 生态学的定义 • 一、经典定义 • 生态学（Ecology）：生态学是研究生物与其环境相互关系的科学（Haeckel, 1869）. • 二、个体水平的定义 • 个体水平：生态学是研究生物（包括动物和植物）怎样生活和它们为什么按照自己的生活方式生活的科学（Elton，1927） 。 • 三、种群和群落水平的定义 • 生态学是研究有机体的分布和多度的科学（Andrewartha, 1954）； • 生态学是研究有机体的分布和多度与环境相互作用的科学（Krebs, 1972）。
2 其他定义 • 植物生态学是研究植物群落的科学（法国Braun-Blaquet, 1932） • 四、生态系统水平的定义 • 生态学是研究生态系统的结构与功能的科学。（E.P.Odum，1956） • 生态学是研究生命系统与环境系统之间相互作用及其机理的科学。（马世骏，1980）他同时提出了社会-经济-自然复合生态系统的概念。 • 生态学是综合研究有机体、物理环境与人类社会的科学。（E.P.Odum，1997）。 • Haeckel 1869年提出的定义，仍被大多数学者所接受。
不同组构水平的生态学定义，即说明了生态学研究的主要对象，也基本上代表了生态学在不同时期的发展水平。不同组构水平的生态学定义，即说明了生态学研究的主要对象，也基本上代表了生态学在不同时期的发展水平。 • 从上世纪60年代开始，由于人口、环境、资源等危机，推动了生态学研究以生态系统为主要对象，并注重与人类生产、生活和未来发展密切结合，产生了一系列的应用生态学科：农业生态学、人口生态学、资源生态学、经济生态学、生物多样性、生态遗传学、污染与恢复生态学、城市生态学等应用学科。 • 生态学的思想、观点也逐渐渗透到社会经济、文化和生活的方方面面，影响着人类命运和发展。
1970年4月22日，来自许多国家的人在美国经历或参与了第一个“地球日”的活动，1970年4月22日，来自许多国家的人在美国经历或参与了第一个“地球日”的活动， • 活动的主题是严肃地反省地球环境状况。这是环境主义者在公众面前的一次集体亮相，虽然公众并没有报以预期的热情。此后，由于斯德哥尔摩等一系列国际环境会议的召开，在美国媒体的鼓噪下，“生态学时代”这个词一下子被叫响了。 • 于是，在今天的叙述中，1970年4月22日成了环境主义运动的分水岭。 • 客观地说，第一个“地球日”及以后相关行动的直接影响在于，它促使一批职业哲学家、社会科学家和政治家投身环境主义运动，担当起反省和规范运动的任务，从而在相当程度上改变了运动的方向。
1973年，奈斯（ArneNaess）在国际哲学杂志《探索》上发表《浅层的与深层的、长远的生态学运动：一个概要》，首次把环境主义分成两个对立的阵营：浅层生态学运动和深层生态学运动。1973年，奈斯（ArneNaess）在国际哲学杂志《探索》上发表《浅层的与深层的、长远的生态学运动：一个概要》，首次把环境主义分成两个对立的阵营：浅层生态学运动和深层生态学运动。 • 奈斯认为，浅层生态学是人类中心主义的，只关心人类的利益；深层生态学是非人类中心主义和整体主义的，关心的是整个自然界的利益。 • 浅层生态学专注于环境退化的症候，如污染、资源耗竭等等；深层生态学要追问环境危机的根源，包括社会的、文化的和人性的。 • 在实践上，浅层生态学主张改良现有的价值观念和社会制度；深层生态学则主张重建人类文明的秩序，使之成为自然整体中的一个有机部分
可持续发展的定义 • 1992年，《里约热内卢环境与发展宣言》首次提出,人类应遵循可持续发展的方针，并明确了可持续发展的定义是：既符合当代人的需求，又不致损害后代人满足其需求能力的发展。 • 牛文元 ：中国科学院可持续发展战略研究组组长、首席科学家，国务院参事、全国政协委员。主要研究方向：环境与发展、可持续发展、战略管理学。1983年即与马世骏院士一道参与联合国起草全球可持续发展的纲领性文件《我们共同的未来》(布伦特莱报告)，成为在中国最早投入可持续发展领域的先锋，并以“一马一牛”的称号享誉学术界。2001年因研究“国家现代化”问题，提出了一套全新的理论体系，被境外学界称为“牛氏指标”。主要著作有：《持续发展导论》、《绿色战略》等。
第三节 研究对象 • 一、四个经典研究层次 • 1 个体：个体是生物系统中最重要的组构层次 • 一方面是基因、细胞、器官系统的整合单位； • 另一方面又是更高级生命层次的组成单位； • 但 个体并不具有物种的全部属性，不能代表物种：当种群个体减少到一定程度时，各种随机因素可能很快消灭这些残留的个体，导致物种的灭绝（白鳍豚的灭绝）。
2 种群：在一定区域范围内分布的同种生物个体的集合；种群是自然界中生物生存和进化的基本单位； • 种群由个体组成，表现出群体特征，如出生率、死亡率、增长率、年龄结构、性比，种内关系和空间分布格局等。 • 美国国家移民国策 • 清朝
3 群落：在一定区域范围内分布的所有生物种群的集合； • 生物群落是由相互作用的因素构成的系统，因此显示出系统特有的性质，如：相互依存、结构性、发展演替、多样性、自我调节、趋于平衡态等；
4 生态系统：生物群落与其生活的非生物环境共同组成生态系统； • 在生态系统中，生物群落内部以及生物群落与非生物环境之间通过物质循环、能量流动和信息传递，形成了复杂的信息反馈调节系统，使生态系统具备自身稳定性的调节功能； • 在自然界中，存在着超越个体水平的宏观运行规律，我们必须不断地研究、了解和认识这些规律，运用这些规律为人类的发展服务； • 现代生态学研究对象进一步向宏观和微观水平扩展，形成了分子生态学、全球生态学等。
二、现代生态学研究对象的扩展 • 1）分子生态学应用分子生物学技术研究生态学问题的新学科研究领域涉及进化 生物学、种群生物学、系统进化地理学、保护遗传学、行为生态学、群落生物学和生物安全等。 • 细胞与分子水平生物学过程往往是个体或群体水平生物学过程的微观机制，微观生态学在细胞及分子水平的研究能为宏观水平所发生的现象提供解释。
例如： • 体细胞DNA损伤或基因突变可导致发育异常、病变以至死亡； • 生殖细胞DNA损伤或基因突变则危及生殖和子代的健康（美国科学家研究，文艺复兴以来人类男性的一次射精的体积和浓度逐渐减少，推断1000年后将没有男性）； • 酶受到胁迫因子的抑制，往往使整个机体发生病变，甚至危及生命。
2）生物圈与全球生态学 • 生物圈的定义：地球上的所有的生物与其所生活的环境组成生物圈，生物圈是地球上最大的生态系统； • 生物圈的构成：岩石圈上层、大气圈下层和全部水圈。 • 宏观生态学研究的意义： • 宏观生态系统（群落和生态系统等）结构和功能的改变，比其他低级组构水平产生的变化对人类及生物界的生存具有更大更深远的影响。 • 全球性问题：全球变暖 、臭氧层破坏、环境污染、资源耗竭、生物多样性保护、可持续发展等。
3）应用生态学蓬勃发展 • 环境生态学、农业生态学、恢复生态学、保护生物学、生物多样性、城市生态学等。 • 从生态学发展的历史、现状等方面观察，不难发现，生态学实际上已经不止是生命科学中的一门基础学科，而是已经成为一种思想、甚而成为一种必须的思维方式，他渗透到社会生活的方方面面，决定着人类的命运和持续的生存与发展。
生态学已经渗透到地学、经济学、农林牧渔、医药、卫生、环保、建筑等多个部门；生态学已经渗透到地学、经济学、农林牧渔、医药、卫生、环保、建筑等多个部门； • 生态学几乎已经成为其他学科的都要采用的方法，科学技术的生态化趋势已经成为新技术革命的一个重要特征； • 生态系统生态学的发展是人类思维方式的哲学变革，他强调，系统中任何组分都不是孤立存在的，而是融入系统的整体，相互制约、相互影响。 • 生态教育突破传统的生物学、环境科学专业教育的范围，并已成为文法、经管、社会、建筑、工程等专业的基础课程。
第四节 研究方法 随着生命科学的发展，其研究对象正朝着更加宏观、更加微观以及更加复杂的生命系统延伸，生命科学研究方法随着生命科学的发展而发展。本专题依据生命科学研究方法历史沿革的内在线索，结合近年来生命科学研究方法的新进展，对生命科学研究中三种主要类型的研究方法进行简单介绍。 • 一、观察与描述（Observation and description） • 二、假设与实验（Hypotheses and Experimentation） • 三、模型模拟 (Model and Simulation)
一、观察与描述 观察与描述是生命科学研究中最基本的研究方法。 • 1 观察的对象：从宏观到微观各个不同层次的对象； • 2 观察的手段：感觉器官直接观察、或借助于仪器设备来完成（X射线衍射、同位素示踪、核磁共振等）； • 3 科学观察与描述的基本要求：客观地反映所观察的事物，并且观察的结果是可以重复和检验的； • 要想做到科学的观察，既要具备一定的基础知识，又不能受已有知识的限制，只有不断的发现前人研究的空白、纠正前人观察的错误，才能使认识更接近于客观真实。
二、假设与实验 假设与实验已经成为现代生命科学研究中最重要的方法。 • 1 实验：在人为干预和控制条件下，对研究对象进行观察的方法； • 2 实验设计的原则：唯一差别； • 3 传统的实验科学研究的范式：实验科学研究已经形成了完善的方法、方式，即实验研究的范式。可描述为： • 从已知的事实或现象出发，提出可能的假设； • 设计实验对假设进行检验； • 经实验证实的假设成为被人们接受的科学理论； • 对经实验证伪的假设进行修正后，重新实验。
4 实验科学研究范式的革命 • 生命科学的快速发展正在引起实验科学研究范式的革命； • 诺贝尔奖得主Gilbert (1991)在《Nature》周刊上撰文指出：“正在兴起的新的范式在于，今后生物学研究项目的起点将是理论。一位科学家将从理论的猜测开始，然后才转向实验去继续或检验该假设” 。 • 特点：新的实验科学研究的范式以理论为出发点，大大提高了科学研究的效率；同时它也是更高层次的实验科学研究的范式。
爱因斯坦曾经说过；“如果没有界定范畴和一般概念．思考就像在真空中呼吸，是不可能的。”他的话回应了西方哲学的一个长期传统．即我们的经验和知识是在范畴或一般概念的框架所建构的、范畴框架（cate－gorical framework）包含我们对这个可理解世界的最基本的、一般性的预设，以及我们在其中的地位。它不是外界强加的，而是像氧融合在呼吸生物体的血液中那样，已经固化在我们的容观思想中。 • ——摘自欧阳莹之著;田宝国周亚、樊瑛译.《复杂系统理论基础》,上海科技教育出版社,2002.
三、模型模拟 在实验、观察和科学假设的基础上，进行模型模拟研究已经成为现代科学研究中一种越来越重要的研究方法。模型模拟克服了实验科学研究的一些缺陷，在研究复杂系统方面表现出明显的优势，它是学科发展过程中更高级的研究方法 。 • 1 实物模型替代：对不能直接进行实验的研究对象进行的实物模型替代研究； • 用动物模型代替人体进行实验，诱发豚鼠血糖增高，成为糖尿病动物模型，用来筛选降血糖的药物，并对药物的作用机制进行研究；系列标准化的动物模型在医学及生物学研究中发挥着重要的作用。
生物圈Ⅱ号：生物圈Ⅱ号建于美国亚利桑那州的沙漠中，生物圈Ⅱ号：生物圈Ⅱ号建于美国亚利桑那州的沙漠中， 历时9年建成,耗资2亿美元、占地1 . 3万平方米、8层楼高 的圆顶形密封钢架玻璃结构的建筑物。模拟自然生物圈。 • 2. 抽象模型：用语言、符号、数学公式、图表、数据库等组成抽象的模型，用来等效或近似地模拟生命及其运动过程。
人工生命就是借助于人工智能和自适应能力方面的研究成果，来虚拟生命及其运动的过程。 比如：日本研制成功人工细胞； • 可视人体：中新社2002年10月23日讯，第三军医大学当天向媒体宣布，中国首例数字化可视人体技术在该校获得成功。中国正式成为了第三个拥有自主知识产权的可视人体技术的国家。 • 通过人类基因组计划已经获得了大量的DNA序列信息，但是它所包含巨大的科学价值和深远的意义，还需要更加有效的抽象模型进行加工和提炼；
在科学发展的历程中，生命科学与其他学科大规模的交叉渗透先后有两次：在科学发展的历程中，生命科学与其他学科大规模的交叉渗透先后有两次： • 第一次发生在20世纪的上半叶，物理学、化学、数学等学科向生物学领域广泛而深入的渗透，使生物学面貌发生了深刻的变化，也促使生物学由描述性科学转变为实验性科学； • 20世纪末期兴起了生命科学与其他学科交叉的第二次浪潮，多学科的交叉渗透使生命科学的内涵远远超出了传统生物学的范畴，而形成了以生物学为核心，融合数学、物理、化学、信息科学及工程技术科学等多学科理论、技术方法的综合性学科（大科学）。 • 在生命科学领域，具备多学科背景的科学家将在学科开拓和发展方面表现出了特殊的优势。
第五节 生态学的分支学科 • 一 按研究对象的组织层次划分 • 分子、个体、种群、群落、生态系统生态学等； • 二 按研究对象的类群划分 • 动物、植物、微生物生态学 • 三、按栖息地划分 • 淡水、海洋、湿地、陆地生态学； • 陆地生态学又可划分为森林、草地、荒漠和冻原生态学 • 四、按交叉学科划分 • 进化、行为、遗传生态学、数学生态学、生态经济学、化学生态学、生态毒理学等。
传统生态学的学科关系 • 全球→全球生态学：人和整个地球生命支持系统之间的关系 • ↑ • 区域→区域生态学：城乡环境之间的关系 • ↑ • 景观→景观生态学：生态系统之间的关系 • ↑ • 生态系统→生态系统生态学：生物和环境之间的关系→理论和方法 • ↑ • 群落→群落生态学：物种之间的相互关系 • ↑ • 种群→种群生态学：同种生物之间的关系 • ↑ • 个体→个体生态学：个体与种群和环境之间的关系 • ↑ • 分子→分子生态学
复习思考题 • 1 生物与环境之间的关系？ • 2 生物学研究方法的三种主要类型？ • 3 生物各组织层次在生态研究中相对重要性？ • 3 名词解释：生态学、生物圈？
