第五章-生物對長期污染的生態(tài)效應(yīng)與適應(yīng)進(jìn)化課件

污染生態(tài)學(xué)

PollutionEcology

第五章生物對長期污染的生態(tài)效應(yīng)與適應(yīng)進(jìn)化

（Chapter5:Ecologicresponsesandadaptativeevolutionunderlong-termedpollution

）主講：環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院王宏鑌2013年11月4日1污染生態(tài)學(xué)

PollutionEcology第五章生內(nèi)容提要一、生物多樣性的喪失

二、生物對污染的適應(yīng)三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化2內(nèi)容提要一、生物多樣性的喪失2一、生物多樣性的喪失■1994年12月29日，聯(lián)合國大會49/119號決議案宣布12月29日為“國際生物多樣性日”?！?992年在巴西首都里約熱內(nèi)盧召開的聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會上，153個國家簽署了《生物多樣性公約》?！鰪?995年起，聯(lián)合國將每年的12月29日確定為“國際生物多樣性日”?！?001年根據(jù)第55屆聯(lián)合國大會第201號決議，國際生物多樣性日由原來的每年12月29日改為5月22日。3一、生物多樣性的喪失■1994年12月29日，聯(lián)合國大會4世界物種滅絕的趨勢4世界物種滅絕的趨勢4生物多樣性(biodiversity)的四個層次■物種多樣性（speciesdiversity）■遺傳多樣性（geneticdiversity）■生態(tài)系統(tǒng)多樣性(ecosystemdiversity)■景觀多樣性(landscapediversity)5生物多樣性(biodiversity)的四個層次■物種多樣性第五章-生物對長期污染的生態(tài)效應(yīng)與適應(yīng)進(jìn)化[課件]第五章-生物對長期污染的生態(tài)效應(yīng)與適應(yīng)進(jìn)化[課件]污染條件下生物在不同層次上的多樣性變化

8污染條件下生物在不同層次上的多樣性變化8遺傳多樣性水平降低的可能原因

■在污染條件下，種群的敏感性個體消失，這些個體所具有的特異性遺傳多樣性也因此不復(fù)存在，從而整個種群的遺傳多樣性水平降低；■污染引起種群的規(guī)模減小，由于隨機(jī)的遺傳漂變，降低了種群的遺傳多樣性水平；■污染引起種群數(shù)量減小，以至于達(dá)到了種群的遺傳學(xué)瓶頸（bottleneck）

，即使種群最后實(shí)現(xiàn)了完全的適應(yīng)，并恢復(fù)到原來的種群數(shù)量時，由于建立者效應(yīng)（foundereffects），從而造成遺傳來源單一，遺傳變異性的來源也大大降低。9遺傳多樣性水平降低的可能原因■在污染條件下，種群的敏感性個遺傳漂變遺傳漂變(randomgeneticdrift):一個小群體中，由于偶然事件導(dǎo)致群體中基因頻率的改變。遺傳漂變的特點(diǎn)：

1.遺傳漂變與抽取的樣本數(shù)有關(guān)，樣本數(shù)越小基因頻率的波動越大，樣本數(shù)越大基因頻率的波動越??；2.環(huán)境條件的改變可能造成遺傳漂變。環(huán)境使原來群體的部分隔離,造成基因頻率的改變。10遺傳漂變遺傳漂變(rando（四）遺傳瓶頸與建立者效應(yīng)如果一個種群在某一時期由于環(huán)境災(zāi)難或過捕等原因數(shù)量急劇下降，就稱其經(jīng)過了瓶頸（bottleneck）。經(jīng)過瓶頸后，如果種群一直很小，則由于遺傳漂變的作用，其遺傳變異會迅速降低，最后可能致使種群滅絕。另一方面，種群數(shù)量在經(jīng)過瓶頸后也可能逐步恢復(fù)。11（四）遺傳瓶頸與建立者效應(yīng)如果一個種群在某一時期由于環(huán)境災(zāi)難（四）遺傳瓶頸與建立者效應(yīng)建立者效應(yīng)（foundereffect）：在建立一個新種群時，最初群體的大小與遺傳組成對新建立種群的遺傳結(jié)構(gòu)的影響。12（四）遺傳瓶頸與建立者效應(yīng)建立者效應(yīng)（foundereff瓶頸效應(yīng)反映一種極端典型的

遺傳漂變現(xiàn)象13瓶頸效應(yīng)反映一種極端典型的

遺傳漂變現(xiàn)象13滇池污染引起物種多樣性的變化

（羅民波，段昌群等，2006）

14滇池污染引起物種多樣性的變化（羅民波，段昌群等，2006）污染引起物種多樣性降低的機(jī)理

■污染物的直接毒害作用，阻礙生物的正常生長發(fā)育，使生物喪失生存或繁衍的能力；■污染引起生境的改變，使生物喪失了生存的環(huán)境；■生態(tài)系統(tǒng)中的富集和積累作用，使食物鏈后端的生物中毒而難以存活或繁育等。15污染引起物種多樣性降低的機(jī)理■污染物的直接毒害作用，阻礙生森林生態(tài)系統(tǒng)對污染的響應(yīng)階段16森林生態(tài)系統(tǒng)對污染的響應(yīng)階段16森林生態(tài)系統(tǒng)對污染的響應(yīng)階段17森林生態(tài)系統(tǒng)對污染的響應(yīng)階段17二、生物對污染的適應(yīng)（一）生物對污染適應(yīng)的一般原理1.生物對污染適應(yīng)的兩重性生物對污染的適應(yīng)，實(shí)際上包括兩個方面:■對污染引起的“自然”環(huán)境的改變（外環(huán)境的變化）的適應(yīng)以及對污染引起生物的生理變化（內(nèi)環(huán)境的變化）的適應(yīng)；■生物對污染物自身的適應(yīng)。18二、生物對污染的適應(yīng)（一）生物對污染適應(yīng)的一般原理18

全球性污染條件的環(huán)境特點(diǎn)■全新的“人造”環(huán)境；■化學(xué)物質(zhì)種類多；■毒害大，選擇作用強(qiáng)；■成為重要的主導(dǎo)因子和限制因子。19全球性污染條件的環(huán)境特點(diǎn)■全新的“人造”環(huán)境；19二、生物對污染的適應(yīng)

（二）生物對污染的適應(yīng)性反應(yīng)■形態(tài)結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性反應(yīng)■生理上的適應(yīng)性反應(yīng)■遺傳上的適應(yīng)性反應(yīng)20二、生物對污染的適應(yīng)（二）生物對污染的適應(yīng)性反應(yīng)20形態(tài)結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性反應(yīng)不同適應(yīng)性水平的小麥在重金屬污染環(huán)境中的數(shù)量性狀變化(馬建民，王煥校，1998)21形態(tài)結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性反應(yīng)不同適應(yīng)性水平的小麥在重金屬污染環(huán)境中生理上的適應(yīng)性反應(yīng)22生理上的適應(yīng)性反應(yīng)22遺傳上的適應(yīng)性反應(yīng)不同污染經(jīng)歷后玉米種群等位酶位點(diǎn)多樣性變化（段昌群,1997）23遺傳上的適應(yīng)性反應(yīng)不同污染經(jīng)歷后玉米種群等位酶位點(diǎn)多樣性變化遺傳上的適應(yīng)性反應(yīng)不同污染經(jīng)歷后曼陀羅種群等位酶位點(diǎn)多樣性變化（段昌群,1997）24遺傳上的適應(yīng)性反應(yīng)不同污染經(jīng)歷后曼陀羅種群等位酶位點(diǎn)多樣性變?nèi)?、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（一）污染引起的種群分化過程■污染物作用下種群中敏感個體消失，種群規(guī)模減?。弧鲞_(dá)到適應(yīng)污染閾值最低要求的個體，不斷擴(kuò)大在種群中的比例；■抗性個體在種群中的比率擴(kuò)大，并通過種群內(nèi)的基因重組，不斷提高抗性水平；同時外來基因的流入，提高種群的整體遺傳多樣性水平。25三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（一）污染引起的種群分化過程三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（二）影響植物污染抗性進(jìn)化的生物因素

■

生活史特征■植物的種子庫■表型的可塑性■植物的生殖特征

■植物的傳粉系統(tǒng)26三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（二）影響植物污染抗性進(jìn)化的三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（三）生物對污染適應(yīng)的代價(jià)

■生態(tài)代價(jià)（ecologicalcost）：對污染適應(yīng)的生物，在進(jìn)入到正常環(huán)境中時，它的競爭力降低；同時還伴隨有對溫度、水分、病蟲害的抵抗能力下降?！錾泶鷥r(jià)（physiologicalcost）:指對污染適應(yīng)的生物，在某些生理性能上低于正常植物?！鲞M(jìn)化代價(jià)（evolutionarycost）:指對污染適應(yīng)很好的植物在其他環(huán)境中進(jìn)化發(fā)展的靈活度降低，以致于可能失去適應(yīng)其他環(huán)境的可能性。27三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（三）生物對污染適應(yīng)的代價(jià)三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（四）污染條件下生物分化與進(jìn)化的一般趨勢■污染大大加快了生物分化的進(jìn)程。■污染條件是絕大多數(shù)生物從來沒有經(jīng)歷過的新型環(huán)境脅迫，生物對新環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制可能不同于自然條件下的生物，對于后者是一個在已有遺傳基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整的問題，而對于前者則是一個從無到有的遺傳適應(yīng)創(chuàng)建問題。■污染條件下，生物偏離了對一般自然環(huán)境的適應(yīng)，改為以對污染環(huán)境為主導(dǎo)對象的適應(yīng)。■在污染環(huán)境中，沒有適應(yīng)潛力的，將被淘汰；而有適應(yīng)潛力的，將發(fā)生種群重建。

28三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（四）污染條件下生物分化與進(jìn)三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化

曼陀羅種群分化的實(shí)際時間和理論時間的比較（段昌群，1997）29三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化曼陀羅種群分化的實(shí)際時間和復(fù)習(xí)思考題1.為什么說環(huán)境污染是現(xiàn)存生物面臨的全新環(huán)境？植物應(yīng)對這種環(huán)境面臨的最大挑戰(zhàn)是什么？2.生物對污染環(huán)境的長期生態(tài)學(xué)效應(yīng)有哪些？各有何特點(diǎn)？3.污染為什么會影響生物多樣性的變化？4.生物適應(yīng)污染環(huán)境和適應(yīng)自然脅迫環(huán)境有何不同？以植物為例，分析如何研究生物對污染環(huán)境的適應(yīng)性？5.生物對污染環(huán)境的適應(yīng)將付出哪些代價(jià)？這些代價(jià)對保護(hù)生物多樣性和在污染條件下發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有什么啟示？30復(fù)習(xí)思考題1.為什么說環(huán)境污染是現(xiàn)存生物面臨的全新環(huán)境？植謝謝！31謝謝！31污染生態(tài)學(xué)

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第五章生物對長期污染的生態(tài)效應(yīng)與適應(yīng)進(jìn)化

（Chapter5:Ecologicresponsesandadaptativeevolutionunderlong-termedpollution

）主講：環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院王宏鑌2013年11月4日32污染生態(tài)學(xué)

PollutionEcology第五章生內(nèi)容提要一、生物多樣性的喪失

二、生物對污染的適應(yīng)三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化33內(nèi)容提要一、生物多樣性的喪失2一、生物多樣性的喪失■1994年12月29日，聯(lián)合國大會49/119號決議案宣布12月29日為“國際生物多樣性日”?！?992年在巴西首都里約熱內(nèi)盧召開的聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會上，153個國家簽署了《生物多樣性公約》?！鰪?995年起，聯(lián)合國將每年的12月29日確定為“國際生物多樣性日”?！?001年根據(jù)第55屆聯(lián)合國大會第201號決議，國際生物多樣性日由原來的每年12月29日改為5月22日。34一、生物多樣性的喪失■1994年12月29日，聯(lián)合國大會4世界物種滅絕的趨勢35世界物種滅絕的趨勢4生物多樣性(biodiversity)的四個層次■物種多樣性（speciesdiversity）■遺傳多樣性（geneticdiversity）■生態(tài)系統(tǒng)多樣性(ecosystemdiversity)■景觀多樣性(landscapediversity)36生物多樣性(biodiversity)的四個層次■物種多樣性第五章-生物對長期污染的生態(tài)效應(yīng)與適應(yīng)進(jìn)化[課件]第五章-生物對長期污染的生態(tài)效應(yīng)與適應(yīng)進(jìn)化[課件]污染條件下生物在不同層次上的多樣性變化

39污染條件下生物在不同層次上的多樣性變化8遺傳多樣性水平降低的可能原因

■在污染條件下，種群的敏感性個體消失，這些個體所具有的特異性遺傳多樣性也因此不復(fù)存在，從而整個種群的遺傳多樣性水平降低；■污染引起種群的規(guī)模減小，由于隨機(jī)的遺傳漂變，降低了種群的遺傳多樣性水平；■污染引起種群數(shù)量減小，以至于達(dá)到了種群的遺傳學(xué)瓶頸（bottleneck）

，即使種群最后實(shí)現(xiàn)了完全的適應(yīng)，并恢復(fù)到原來的種群數(shù)量時，由于建立者效應(yīng)（foundereffects），從而造成遺傳來源單一，遺傳變異性的來源也大大降低。40遺傳多樣性水平降低的可能原因■在污染條件下，種群的敏感性個遺傳漂變遺傳漂變(randomgeneticdrift):一個小群體中，由于偶然事件導(dǎo)致群體中基因頻率的改變。遺傳漂變的特點(diǎn)：

1.遺傳漂變與抽取的樣本數(shù)有關(guān)，樣本數(shù)越小基因頻率的波動越大，樣本數(shù)越大基因頻率的波動越小；2.環(huán)境條件的改變可能造成遺傳漂變。環(huán)境使原來群體的部分隔離,造成基因頻率的改變。41遺傳漂變遺傳漂變(rando（四）遺傳瓶頸與建立者效應(yīng)如果一個種群在某一時期由于環(huán)境災(zāi)難或過捕等原因數(shù)量急劇下降，就稱其經(jīng)過了瓶頸（bottleneck）。經(jīng)過瓶頸后，如果種群一直很小，則由于遺傳漂變的作用，其遺傳變異會迅速降低，最后可能致使種群滅絕。另一方面，種群數(shù)量在經(jīng)過瓶頸后也可能逐步恢復(fù)。42（四）遺傳瓶頸與建立者效應(yīng)如果一個種群在某一時期由于環(huán)境災(zāi)難（四）遺傳瓶頸與建立者效應(yīng)建立者效應(yīng)（foundereffect）：在建立一個新種群時，最初群體的大小與遺傳組成對新建立種群的遺傳結(jié)構(gòu)的影響。43（四）遺傳瓶頸與建立者效應(yīng)建立者效應(yīng)（foundereff瓶頸效應(yīng)反映一種極端典型的

遺傳漂變現(xiàn)象44瓶頸效應(yīng)反映一種極端典型的

遺傳漂變現(xiàn)象13滇池污染引起物種多樣性的變化

（羅民波，段昌群等，2006）

45滇池污染引起物種多樣性的變化（羅民波，段昌群等，2006）污染引起物種多樣性降低的機(jī)理

■污染物的直接毒害作用，阻礙生物的正常生長發(fā)育，使生物喪失生存或繁衍的能力；■污染引起生境的改變，使生物喪失了生存的環(huán)境；■生態(tài)系統(tǒng)中的富集和積累作用，使食物鏈后端的生物中毒而難以存活或繁育等。46污染引起物種多樣性降低的機(jī)理■污染物的直接毒害作用，阻礙生森林生態(tài)系統(tǒng)對污染的響應(yīng)階段47森林生態(tài)系統(tǒng)對污染的響應(yīng)階段16森林生態(tài)系統(tǒng)對污染的響應(yīng)階段48森林生態(tài)系統(tǒng)對污染的響應(yīng)階段17二、生物對污染的適應(yīng)（一）生物對污染適應(yīng)的一般原理1.生物對污染適應(yīng)的兩重性生物對污染的適應(yīng)，實(shí)際上包括兩個方面:■對污染引起的“自然”環(huán)境的改變（外環(huán)境的變化）的適應(yīng)以及對污染引起生物的生理變化（內(nèi)環(huán)境的變化）的適應(yīng)；■生物對污染物自身的適應(yīng)。49二、生物對污染的適應(yīng)（一）生物對污染適應(yīng)的一般原理18

全球性污染條件的環(huán)境特點(diǎn)■全新的“人造”環(huán)境；■化學(xué)物質(zhì)種類多；■毒害大，選擇作用強(qiáng)；■成為重要的主導(dǎo)因子和限制因子。50全球性污染條件的環(huán)境特點(diǎn)■全新的“人造”環(huán)境；19二、生物對污染的適應(yīng)

（二）生物對污染的適應(yīng)性反應(yīng)■形態(tài)結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性反應(yīng)■生理上的適應(yīng)性反應(yīng)■遺傳上的適應(yīng)性反應(yīng)51二、生物對污染的適應(yīng)（二）生物對污染的適應(yīng)性反應(yīng)20形態(tài)結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性反應(yīng)不同適應(yīng)性水平的小麥在重金屬污染環(huán)境中的數(shù)量性狀變化(馬建民，王煥校，1998)52形態(tài)結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性反應(yīng)不同適應(yīng)性水平的小麥在重金屬污染環(huán)境中生理上的適應(yīng)性反應(yīng)53生理上的適應(yīng)性反應(yīng)22遺傳上的適應(yīng)性反應(yīng)不同污染經(jīng)歷后玉米種群等位酶位點(diǎn)多樣性變化（段昌群,1997）54遺傳上的適應(yīng)性反應(yīng)不同污染經(jīng)歷后玉米種群等位酶位點(diǎn)多樣性變化遺傳上的適應(yīng)性反應(yīng)不同污染經(jīng)歷后曼陀羅種群等位酶位點(diǎn)多樣性變化（段昌群,1997）55遺傳上的適應(yīng)性反應(yīng)不同污染經(jīng)歷后曼陀羅種群等位酶位點(diǎn)多樣性變?nèi)?、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（一）污染引起的種群分化過程■污染物作用下種群中敏感個體消失，種群規(guī)模減??；■達(dá)到適應(yīng)污染閾值最低要求的個體，不斷擴(kuò)大在種群中的比例；■抗性個體在種群中的比率擴(kuò)大，并通過種群內(nèi)的基因重組，不斷提高抗性水平；同時外來基因的流入，提高種群的整體遺傳多樣性水平。56三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（一）污染引起的種群分化過程三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（二）影響植物污染抗性進(jìn)化的生物因素

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生活史特征■植物的種子庫■表型的可塑性■植物的生殖特征

■植物的傳粉系統(tǒng)57三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（二）影響植物污染抗性進(jìn)化的三、污染條件下生物的分化與微進(jìn)化（三）生物對污染適應(yīng)的代價(jià)

■生態(tài)代價(jià)（ecologicalcost）：對污染適應(yīng)的生物，在進(jìn)入到正常環(huán)境中時，它的競爭力降低；同時還伴隨有對溫度、水分、病蟲害的抵抗能力下降?！錾泶鷥r(jià)（physiologicalcost）:指對污染適應(yīng)的生物，在某些生理性能上低于正常植物?！鲞M(jìn)化代價(jià)（evolutio