第2章 分子生态学的基本理论
生物选修一第二章知识点框架
生物选修一第二章知识点框架
【实用版】
目录
一、生物选修一第二章知识点框架概述
二、生物选修一第二章知识点框架详细内容
1.分子生物学基础
2.基因与遗传
3.生物技术及其应用
4.生态学与环境保护
正文
一、生物选修一第二章知识点框架概述
生物选修一第二章主要涉及分子生物学基础、基因与遗传、生物技术及其应用以及生态学与环境保护等方面的知识点。
这些内容是高中生物课程的重要组成部分，对于学生理解和掌握生物学的基本概念、原理及应用具有重要意义。
二、生物选修一第二章知识点框架详细内容
1.分子生物学基础
分子生物学是研究生物大分子结构、功能和相互作用的学科。
本部分内容包括：
- 生物大分子的结构与功能
- 核酸、蛋白质和多糖的组成与生物功能
- 生物分子的相互作用与生物活性
2.基因与遗传
基因与遗传是生物学的核心概念之一，本部分内容包括： - 基因的概念、结构和功能
- 遗传的基本规律与遗传病
- 基因表达调控与表观遗传
3.生物技术及其应用
生物技术是应用生物学、化学和其他相关学科的理论和技术，对生物体进行改造和利用的一门学科。
本部分内容包括：
- 生物技术的基本概念与方法
- 分子生物学技术与基因工程
- 生物技术的应用领域及其前景
4.生态学与环境保护
生态学是研究生物与环境相互关系的学科，环境保护是保障生态环境可持续发展的重要任务。
《分子生态学》教学大纲
《分子生态学》教学大纲一、基本信息二、教学目标及任务掌握分子生态学发展史与基本原理；掌握分子生物学基础知识；掌握微生物、植物和海洋分子生态学的研究内容和主要分子生物学技术；了解应用生物技术治理环境污染的分子机理；了解分子生物学和分子生态学基本手段。
通过本课程的教学使学生掌握分子生态学的基本理论和基础、以及分子生物学技术和研究方法在不同方向生态学领域的应用，并了解分子生态学与生物信息学的前沿，从思想上明确认识分子生态学在生态学科发展过程中的重要性，通过各教学环节的实施注重培养学生思考、分析、解决分子生态问题和主动获取知识的能力，树立实事求是、严谨治学的学风。
三、学时分配教学课时分配四、教学内容及教学要求第一章分子生态学的发展史第一节生态学与分子生态学第二节分子生态学的主要内容与任务第三节分子生态学的科学地位第四节分子生态学的起源与发展第五节分子生态学的发展轨迹第六节当今分子生态的发展第七节分子生态学的研究方法和发展方向第八节分子生态学的新方向本章教学要求：了解分子生态学发展、研究内容和方法第二章分子生态学的基本原理第一节分子生态学概念的提出第二节分子生态学系统概念习题要点：分子生态学的概念、与微观和宏观生态学的联系第三节分子生态系统的结构组成习题要点：分子生态学的研究对象第四节生态学中的遗传学习题要点：分子进化的中性论和选择论；生态遗传学的概念；基因型、表现型和表型可塑性的概念本章教学要求：掌握分子生态学的概念、研究对象；掌握生态遗传学、基因型、表现型和表型可塑性的概念；理解分子进化的中性论和选择论；第三章分子生物学第一节生命与核酸的共同起源第二节DNA和RNA的结构第三节蛋白质组信息学习题要点：蛋白质组学的概念和分类、相关技术第四节分子生态方法习题要点：分子生态学的研究内容及常用技术第五节免疫学第六节遗传密码基因表达习题要点：遗传密码的特性及基因工程的应用第七节基因组信息学习题要点：遗传图谱、物理图谱、序列图谱和基因图谱的定义第八节DNA习题要点：DNA的结构和种类第九节基因芯片习题要点：基因芯片的分类、特点、基本流程和应用本章重点、难点：DNA、RNA的结构；分子生态学的研究内容及常用技术；遗传密码特性及基因工程应用；基因组信息学的应用；基因芯片本章教学要求：掌握DNA、RNA的结构，DNA的种类；掌握基因组信息学的应用；理解基因芯片的分类、特点、基本流程和应用。
大学课程生态学-分子生态学课件
聚丙烯酰胺凝胶）内制造一个pH梯度，电泳时每种蛋白质就 将迁移到等于其等电点（pI）的pH处（此时此蛋白质不再带 有净的正或负电荷），形成一个很窄的区带
双向电泳（two-dimensional electrophoresis）
第二节 分子生态学起源、理论
一、分子生态学起源
• 1950s—— 凝胶电泳技术（Smithies, 1955)和蛋白质组织化学染色方法 （Hunter &Marker 1957) 的发明和有机结合，促进了利用蛋白质多态性方法 分析遗传变异。
• 1960s—— 分子进化的中性理论的提出(Kimura 1968)和限制性内切酶的发现 （Linn & Arber 1968) 为限制性内切酶长度多态性（RFLP）分析提供了工具
• 1970s—— DNA转膜杂交（ Southern 1975); 线粒体DNA遗传变异性的发现 （Brown & Vinograd 1974); DNA测序（Sanger et al. 1977); DNA克隆技术 （Maniatis et al. 1978)
• 1980s—— PCR、 热稳定DNA聚合酶（Saiki et al. 1985,1988). • 1992s—— The Journal of “Molecular Ecology” .
—— 是等电聚焦电泳和SDS-PAGE的组合，即先进行 等电聚焦电泳（按照PH分离），然后再进行SDS-PAGE （按照分子大小），经染色得到的电泳图是个二维分布的 蛋白质图。
• 2. 分子进化的中性理论（neutral theory of molecular evolution) • （1）
微生物分子生态学的理论和方法
微生物分子生态学的理论和方法微生物分子生态学是生态学中比较新兴的分支，它以微生物群落的遗传结构和功能为研究对象，通过分子生物学方法和大数据处理手段，探究微生物群落结构、多样性、相互作用及其对环境的响应规律。
本文将从理论和方法两个方面进行论述。
理论1.微生物群落的结构和多样性研究微生物群落的结构和多样性是微生物分子生态学中的基础研究内容。
通过高通量测序技术，可以快速鉴定出微生物群落中各种微生物的数量、种类和相对比例，从而揭示微生物群落的结构和多样性。
此外，近年来出现的功能基因组学方法，可以通过分析微生物群落DNA中的功能基因，揭示微生物群落中各个群体的代谢途径和生物功能，为微生物群落结构和多样性的研究提供了新的思路。
2.微生物群落的相互作用与微生物间的横向基因转移微生物群落中的微生物之间具有相互作用，影响着微生物群落的结构和功能。
微生物之间的相互作用可以通过预测微生物菌群的共生网络或群落功能来推断。
此外，微生物间的横向基因转移也是微生物群落中的一种重要现象，它使微生物菌群获得新的代谢途径或其他有益基因等，是微生物群落适应环境、保持动态平衡的关键因素之一。
3.微生物群落对环境的响应规律微生物群落是环境中敏感的晴雨表，它能够反映环境变化对微生物群落结构和功能的影响。
因此，研究微生物群落对环境变化的响应规律，有助于我们了解生态系统对环境变化的响应规律，同时也对环境污染及其对健康的影响等问题提供了重要的研究思路。
方法1.高通量测序技术高通量测序技术是微生物分子生态学的重要工具。
高通量测序技术可以快速鉴定微生物群落中的微生物的数量、种类和相对比例，从而揭示微生物群落结构和多样性。
目前主要的测序技术有Illumina和PacBio等。
2.功能基因组学方法功能基因组学方法是微生物群落研究的新方法，通过分析微生物群落中的各种功能基因，来研究微生物群落中各个群体的代谢途径和生物功能。
同时，功能基因组学方法也可以用于预测微生物群落的功能和生态位，为微生物群落的生态功能研究提供基础。
微生物分子生态学
SARS：严重急性呼吸综合征（Severe Acute Respiratory Syndrome），也叫传染性非典型性肺炎，SARS是一种冠状 RNA病毒。
MERS： 中东呼吸综合征（ Middle East Respiratory Syndrome ），MERS-CoV，一种新型冠状病毒。截止2015 年5月25日，全球累计实验室确诊病例共1139例，其中431例 死亡（病死率37.8%）。
硝化细菌 硫细菌 污染物降解菌
遵循这一原理，在污水处理过程中，碳氮比要维持在 一定水平，如果保证碳氮比合适，可促进正常微生物菌群 的生长，抑制球衣细菌等丝状菌的生长引起的污泥膨胀等 问题。
（2）光影响微生物的分子生态学
光合微生物利用光能通 过光合磷酸化同化CO2生成 碳水化合物产生构建细胞的 物质和能量。
第2章：微生物分子生态学
2.1：微生物分子生态学概念 2.2：微生物分子生态学理论基础 2.3：微生物对外界环境的适应和调整 2.4：极端环境微生物适应性的机制及应用 2.5：微生物质粒的分子生态效应 2.6：微生物分子生态学研究方法
2.1：微生物分子生态学概念
微生物分子生态学是分子生物学实验技术应用于微生 物生态学研究领域而发展形成的一门交叉学科，在分子水 平上探讨微生物生态系统组成结构、功能的机理以及微生 物与生物和非生物环境之间相互关系。其核心问题是研究 微生物生存的环境分子生态效应和遗传分子生态效应。
（3）分子生态病毒学 分子生态病毒学是由分子生物学、分子生态学和分子
病毒学融合而成的新兴分子学科。
肿瘤病毒 癌基因致癌特征
RNA病毒的复制和致病
HIV
SARS
HIV：人类免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus）， 是一种RNA病毒，该病毒破坏人体的免疫力，导致免疫系 统失去抵抗力，从而使得各种疾病及癌症在人体内生存，并 致人死亡。
分子生态学章节
分子生态学是一门新兴的交叉学科，主要研究生物分子（如核酸、蛋白质等）在生态环境中的变化、相互作用和生态学意义。
以下是分子生态学章节的一些主要内容：
绪论：介绍分子生态学的概念、发展历程、研究内容和意义。
分子生物学基础：介绍DNA、RNA和蛋白质的结构、功能和相互关系，以及基因表达和调控的基本原理。
生态系统中生物分子的变化：研究生物分子在环境因素（如温度、湿度、pH等）影响下的变化规律，以及生物分子之间的相互作用。
生物分子在生态系统中的功能：介绍生物分子在能量转换、物质循环和信息传递等方面的生态学意义，以及生物分子对环境变化的适应机制。
生物分子在物种形成和演化中的作用：探讨生物分子在物种形成、演化过程中的作用，以及物种之间的遗传差异和演化机制。
分子生态学在实践中的应用：介绍分子生态学在环境保护、生物资源利用和生物安全等方面的应用，以及分子生态学对人类健康和生活的影响。
展望：探讨分子生态学的未来发展方向和趋势，以及面临的挑战和机遇。
总之，分子生态学章节主要介绍了生物分子在生态环境中的变化、相互作用和生态学意义，旨在从分子水平上揭示生态系统的运行
机制和生物与环境的相互作用关系。
这对于深入理解生态系统的本质、保护生物多样性和促进可持续发展等方面都具有重要的意义。
第2章 分子生态学的基本理论
基因组尺寸如何进化是一个早已存在的问题，然而，由于基因组测序的 进行，这个问题现在反而变得新奇起来。 基因组复杂性从单细胞到多细胞真核生物升高的方式与基因组大小特别 是编码区的大小并无直接的关系，编码区的延长不能解释特定生物体 （门、种系、组织等）中出现的许多新功能。
分子进化的动力
分子水平上生物的进化可以看作是一个两步的过程；首先 是突变和重组，由此产生出可遗传的变异；其次是遗传变 异有差异的世代相传。
分子生态学的实践性
分子生态学的实践性也是非常重要的，这不仅是学科本身发展的 需要，也是科学技术转化为生产力的需要。
2.1 分子生态学概念的提出
分子生态学是在分子水平上由生态学和生物学融合而成的新型 科学。我们对分子生态学的认识和分子生态平衡是生命本质的 认识，作为发展分子生态学的前提。分子生态学的发展是以分 子生物学的发展为基础。
第2章 分子生态学的基本理论
李永峰
李巧燕
教授
研究生
目录
1 2
分子生态学概念的提出
分子生态学系统概念
３ 4
分子生态系统的结构组成
生态学中的遗传学
2.1 分子生态学概念的提出
生命科学是研究生物生命活动规律的科学
分子生物学的概念只停留在生物学的认 识水平是不够的
分子生物学
分子生物学必须含有生态学的概念
分子生态学(molecular ecology)
概念 研究 内容
以生物活性分子， 特别是以核酸分子 为中心同其分 子环境关系的生态 学
阐明生命体和相关细胞 的各种生物活性分子及其分 子环境与网络相互作用的生 理平衡态 和病理失调态的分子机制， 从而提出促进生理平衡和防 止与治疗 病理失调的措施及方法。
第2章：生态学基础
寄生生物 长期地以“捕获物”为食，通常不会杀死“捕获物” （至少不会立即杀死），但常会伤害它。 生活在它们寄主的体内，这种生物称为内寄生物，另 外还有依附在它们寄主的体外，称为外寄生生物如： 虱。 碎屑生物： 死的植物性物质，死的动物性物质以及粪便废弃物构 成大量有机物，称为碎屑。 以碎屑为食物的生物被划为单独的一类消费者，称为 食碎屑生物。 如：秃鹫（一种大型猛兽）、蚯蚓、白蚁、甲虫等
全球水的大循环过程： 在阳光照射下，地面的水开始蒸发，水分进入大气 并逐渐聚集为云层。云层冷却到一定程度即出现降水 （包括降雨和降雪）。水分又回到地面并开始了新的 循环。如此周而复始，构成了全球水的大循环。
生态系统的水循环只是全球水循环的一小部分，但是 由于它和人类的紧密联系而显得更为重要。 人类的活动深刻地改变了生态系统的水循环。同时它 也对人类的生活造成了极大的影响。 生态系统的水循环简言之就是降水与地表蒸发作用 的往复运动。 当大气中的水分以降水的形式落到地面后，一部 分渗入地下，一部分成为地表径流，还有一部分为地表 植被所截取。在降水不多的地区，植物截取的水分有 时非常可观。例如，在温带地区，被截取的降水可达 总降水量的25％。
（5）生物圈(biosphere): 现代生态学的研究对象越来越大甚至包括整个生物 圈。生物圈是地球上最大的、接近自我维持的生态系 统，是地球上全部生物及与之发生相互作用的物理环 境的总和。其范围大体上包括大气圈的下层、岩石圈 的上层以及整个水圈和土圈。地球上所有的生命都在 这个“薄层”里生活，故称生物圈。
二、生态学的研究内容 1.以自然生态系统为对象:探索环境对生物的作用，生物 对环境的反作用及其相互关系的规律。 2.以人工生态系统或半自然生态系统为对象:研究不同区 域系统的组成、结构、功能。 当前研究的主要内容中纯粹自然生态系统已很少，大 多为受干扰的(disturbed)生态系统。 3.以社会生态系统为对象:生态学与社会经济的结合，如 人口与社会经济发展的关系等。
《分子生态学》课件
在分子生态学中，分子标记技术可用于物种鉴定、种群遗传结构分 析、亲缘关系鉴定等方面。
分子标记技术的优势
具有较高的灵敏度和特异性，能够快速准确地检测生物体的遗传特 征，有助于揭示种群结构和遗传多样性。
生物信息学方法
生物信息学方法
利用计算机科学和统计学的理论和方法，对生物学数据进行分析 、整合和挖掘。
生态平衡
生态平衡是指生态系统内部各组成部分之间相互制约、相互依存的关系，是生态系统稳定和可持续发展的基础。 维护生态平衡是保护生物多样性和生态安全的重要措施之一。
03 分子生态学研究方法
CHAPTER
基因组学技术
基因组学技术
利用全基因组测序、基因表达谱分析 等技术，研究生物体内基因组的组成 、结构和功能，以及基因表达的调控 机制。
生态恢复
通过分子生态学手段研究生态系统退化的原因，提出针对性的恢复和重建方案，如植被恢复、土壤微 生物群落重建等。
生态系统恢复与重建
受损生态系统修复
针对受损生态系统，利用分子生态学方法研究生态系统内部各组分的相互关系和作用机 制，提出生态系统修复方案。
生态工程设计
基于分子生态学原理，设计生态工程，如人工湿地、生态浮床等，以实现生态环境的改 善和修复。
种群动态与进化
种群动态
种群动态是指种群数量和结构的变化 规律，是生态学研究的重要内容之一 。它受到环境因素、种间关系、种内 关系等多种因素的影响。
种群进化
种群进化是指种群在适应环境变化的 过程中，基因频率发生改变，导致种 群特征的演化。种群进化是生物多样 性的重要来源之一。
生态位与物种共存
生态位
生物多样性保护
分子生态学研究有助于保护生物 多样性，维护地球生态平衡。
动物进化与分子生态学
进化的证据
化石记录
揭示生物演化历 史
生化比较
生物分子结构比 较
比较解剖学
物种之间的共同 点和差异
进化的驱动力
自然选择
适者生存 群体遗传信息传递 环境影响
遗传漂变
随机突变 群体规模 随机漂变
突变
基因突变 染色体突变 基因组变异
分支进化与物种形成
01 分支进化的概念
从一个共同祖先分化为不同的物种
共通关系
共通的进化规律
自然选择 遗传漂变 基因流动
共通生态位的作用
资源分配 物种丰富度 生态系统稳定性
共通关系在生态系统 中的角色
维持生态平衡 促进物种多样性 影响生态系统功能
生态位与竞争关系
生态位的定 义
生物种群在生态 系统中的位置
生态位的竞 争
资源利用竞争和 空间竞争
生态位的意 义
资源利用和生存 策略的不同
意识
技术创新
不断引入新技术， 加速研究进程
感谢观看
THANKS
总结
动物进化中的生态关系是生物学研究的重要领域 之一，不同种类之间的相互作用影响着整个生态 系统的稳定性和多样性。通过深入研究共生、食 性、竞争等关系，可以更好地理解物种进化的机 制和生态系统的运作规律。
● 05
第五章 分子生态学在动物进 化研究中的应用
种群遗传学
种群遗传学是研究物种内基因频率分布及其变化 规律的学科。主要包括种群结构分析、种群遗传 多样性评估以及种群演化与适应等内容。通过对 种群遗传学的研究，可以深入了解动物进化过程 中基因变异、适应和演化的机制。
动物进化与分子生态学
汇报人：XX
2024年X月
目录
第1章 动物进化的基本概念 第2章 分子生态学基础 第3章 动物进化中的基因调控 第4章 动物进化中的生态关系 第5章 分子生态学在动物进化研究中的应用 第6章 总结与展望
《分子生态学》教学大纲
《分子生态学》教学大纲一、基本信息二、教学目标及任务掌握分子生态学发展史与基本原理；掌握分子生物学基础知识；掌握微生物、植物和海洋分子生态学的研究内容和主要分子生物学技术；了解应用生物技术治理环境污染的分子机理；了解分子生物学和分子生态学基本手段。
通过本课程的教学使学生掌握分子生态学的基本理论和基础、以及分子生物学技术和研究方法在不同方向生态学领域的应用，并了解分子生态学与生物信息学的前沿，从思想上明确认识分子生态学在生态学科发展过程中的重要性，通过各教学环节的实施注重培养学生思考、分析、解决分子生态问题和主动获取知识的能力，树立实事求是、严谨治学的学风。
三、学时分配教学课时分配四、教学内容及教学要求第一章分子生态学的发展史第一节生态学与分子生态学第二节分子生态学的主要内容与任务第三节分子生态学的科学地位第四节分子生态学的起源与发展第五节分子生态学的发展轨迹第六节当今分子生态的发展第七节分子生态学的研究方法和发展方向第八节分子生态学的新方向本章教学要求：了解分子生态学发展、研究内容和方法第二章分子生态学的基本原理第一节分子生态学概念的提出第二节分子生态学系统概念习题要点：分子生态学的概念、与微观和宏观生态学的联系第三节分子生态系统的结构组成习题要点：分子生态学的研究对象第四节生态学中的遗传学习题要点：分子进化的中性论和选择论；生态遗传学的概念；基因型、表现型和表型可塑性的概念本章教学要求：掌握分子生态学的概念、研究对象；掌握生态遗传学、基因型、表现型和表型可塑性的概念；理解分子进化的中性论和选择论；第三章分子生物学第一节生命与核酸的共同起源第二节DNA和RNA的结构第三节蛋白质组信息学习题要点：蛋白质组学的概念和分类、相关技术第四节分子生态方法习题要点：分子生态学的研究内容及常用技术第五节免疫学第六节遗传密码基因表达习题要点：遗传密码的特性及基因工程的应用第七节基因组信息学习题要点：遗传图谱、物理图谱、序列图谱和基因图谱的定义第八节DNA习题要点：DNA的结构和种类第九节基因芯片习题要点：基因芯片的分类、特点、基本流程和应用本章重点、难点：DNA、RNA的结构；分子生态学的研究内容及常用技术；遗传密码特性及基因工程应用；基因组信息学的应用；基因芯片本章教学要求：掌握DNA、RNA的结构，DNA的种类；掌握基因组信息学的应用；理解基因芯片的分类、特点、基本流程和应用。
最新3分子生态学
• 3、 遗传变异检测 序列分析 片段分析
一 、突变体的筛选与使用
• 突变体的筛选与使用在重要生态功能的 分子基础（分子生态学）研究中发挥着 重要作用，并被欧美一流的学者首选。
诱导突变
已有的突变材料
一定生态条件下筛选
生态功能对比研究
基因定位和测序
得到基因突变与生态功能的关系 得到基因突变与生态功能的关系
• 4 贝斯法：检验观测数据与理论假设的偏离是 否大到否定假设的程度，或者现有数据是否足 以支持作出有关结论（Shoemaker et al. 1998).
2-3 分子生态学的研究方法
• 1 、突变体的筛选与使用。 • 2、分子标记 （蛋白质，DNA）
线粒体DNA标记 叶绿体DNA标记 细胞核DNA标记（单拷贝DNA，核糖体DNA, 微卫
3分子生态学
内容
• 1 分子生态学的产生与发展 • 2 分子生态学的理论基础 • 3 分子生态学的研究方法 • 4 前沿进展举例
2-2:分子生态学的理论基础
• 一 分子进化的中性理论（neutral theory of molecular evolution):
• 1、 理论核心：分子水平上的绝大多数突变是选 择上中性的，因而他们在进化中的命运是随机漂 变的，而不是由自然选择决定的。
•
3、单拷贝核DNA标记
• 单拷贝核DNA：核基因组中拷贝数为1的DNA 序列（scnDNA)；
• 优点：对运用朔祖理论进行进化谱系分析非常 重要且十分有效；
• 缺点： • （1）目前通用的scnDNA 标记较少，不得不为
每一研究对象建立一套scnDNA标记； • （2）二倍体或多倍体杂合性的存在，使单倍
微生物分子生态学
磁小体特点
➢包被磁小体的磷脂、蛋白或糖蛋白分散性极好，颗粒 间不会聚集； ➢单位体积的磁性很强。
趋磁细菌及磁小体的应用前景
➢信息存储和电子领域：理想磁性生物材料，磁小体记 录材料比现在使用的磁粉粒度小、品质更均匀、磁能积 提高数十倍、价格便宜，适用于制作高清晰、高保真、 轻薄的大容量超高密度磁记录材料和存储器。 ➢医疗卫生领域：药物、酶、DNA、RNA等的载体，可 直接运载到靶向病灶，提高对癌细胞的杀伤力和命中率； 也可用于核磁共振成像的造影剂，用以检测微型肿瘤以 及用于磁热疗以杀死癌细胞。 ➢生物传感器、免疫检测、废水处理、回收环境中的放 射性核素污染、等。
（8）微波对微生物的影响 微波是以频率介于无线电波（低于300MHz/s）和红
外线（高于300 000MHz/s ）的电磁波，它对微生物的致 死作用是微波能量产生的热效应使微生物致死。
（9）压力对微生物的影响 陆地细菌在30 ℃和3.03 ×104kPa（300atm）下生
长缓慢， 4.04 ×104kPa （400atm）下生长停止；深海 中的嗜压细菌在30 ~40℃和6.06 ×104kPa（600atm） 下还能正常生长繁殖。有些抗压力强的微生物甚至在高于 3.03 ×105kPa（3000atm）的环境下也不会死亡。
光
辐射
大气压
pH 表面
microbe
氧化/还原电位
水活度
磁性
（1）营养因子对微生物的影响
微生物新陈代谢和一切生命活动赖以进行的基础。 营养缺乏，导致微生物生长所需的能量、碳源、氮源、 无机盐等成分不足，机体停止生长和繁殖，代谢停顿。
➢ 碳源 • 用于构成微生物细胞和代谢产物中碳素的来源，并为微
生物的生长繁殖和代谢活动提供能源。 • 主要功能
PPT
分子生态学=分子生物学技术+生态学
分子生态学是多学科交叉的学科
图1 分子生态学的多学科交叉性和复合性
图中心阴影圆所覆盖的研究领域都属于分子生态学的研究范畴 图中数字含义为：1=群体遗传学；2=生态学；3=进化生态学； 4=生物地理学；5=行为生物学；6=保护生物学。 图中箭头表示主要的支撑性学科的渗透与融合。
分子生态学成立标志：
1992年《Molecular Ecology》创刊，标志着分 子生态学已经成为生态学的一个新分支学科。
分子生态学的概念 ：
分子生态学是生态学的微观研究层 次与领域，它利用分子生物学原理 方法 和技术，来研究生命系统与环境系统相 互作用的机理及其分子机制的科学， 从 分子水平探讨生物与环境的关系。
南极洲阿得列企鹅(Adélie Penguin)的古DNA
科 学 家 们 在 南 极 洲 的 ROSS 岛采集到至少据今有8000年 前的阿得列企鹅的层状亚化 石骨。通过分析现存企鹅和 灭绝企鹅的种群样品，我们 能在一个相当长的时间跨度 内直接检验微卫星和线粒体 基因的进化过程。这些数据 将有助于揭示南极洲阿得列 企鹅分子演化机制。
四、分子生态学的研究现状
寻找新西兰KOKAKO鸟的踪迹…… 南极洲阿得列企鹅的古DNA
黑背鸥 Saddleback 的分子进化
寻找新西兰KOKAKO鸟的踪迹……
1996年，新西兰Massey University保护生物学 系的研究人员拾到一片羽毛，该羽毛被怀疑来 自Callaeus cinera cinera（新西兰南岛kokako 鸟）。而该鸟在30年前就已经被认为灭绝。为 了鉴定该羽毛的归属问题，该学校分子生态学 实验室的研究者们承接了这一课题。 按常例，当羽毛从某一个体拔下后，其尖部常 常留有小量DNA。通过对微量DNA进行PCR扩 增，来自该羽毛的DNA代码或序列就能确定。 然后通过定位序列的特异标志区，并将这些区 域与新西兰鸟类DNA数据库进行比较。研究结 果发现，未知羽毛中发现的DNA与新西兰南岛 kokako鸟完全匹配，则证明找到了本已“灭绝” 的kokako鸟。
第一节分子生态学
古生物学
生态学
系统发生学
进化生物学
一、分子生态学的产生与发展
3、分子生态学的发展1963年 1976来自 1984年1966年
1992年
M. Nass和S. Nass发现了mt DNA，使探讨 生物进化和生态 学等领域的一些 问题成为可能。
Harris首次 把同工酶分析 用于人类。 Richardson等 出版了“等位 酶电泳-动物系 统学和种群研 究手册”，形 成分子生态学 的雏形。
内涵：在满足下列假设的条件下，生物种群的等位基因 频率和基因型频率世代间保持不变。 （1）有性繁殖并随机交配； （2）等位基因在雌雄两性中随机交配； （3）种群足够大； （4）世代不重叠； （5）没有自然选择、突变和迁移。 分子生态意义：作为基本判别假设和理论基础（遗传标 记方法）
二、 分子生态学的理论基础 3、种群分化是生物进化的必要途径
二、 分子生态学的理论基础 7、有效种群大小（Ne）
估算方法:
① 计算种群世代间等位基因频率的即时变化（不同世代，样 品数量，多态位点数量）
② 有效成体繁殖数目（Nb）可用于估算Ne （非离散世代）
③ 基于重复取样的最大似然法（被广泛应用） ④ 从杂合性的预期关系上估算Ne （适合对整个物种的全部 进化时间上的探讨）
“Molecular ecology”杂志 在英国创刊， 标志着分子生 态学已成为生 态学的一个新 的分支学科。 从此，分子生 态学进入了快 速发展期。
目 录
一、分子生态学的产生与发展
二、分子生态学的理论基础
三、分子生态学的研究方法 四、分子生态学的研究实例及展望
二、 分子生态学的理论基础
1、分子进化的中性理论（Neutral Theory）
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对可进化能力而言，遗传系统的进化非常重要，但是目前主要用来表示基因型 与表现型之间的相关性
突变是否能产生遗传变异以及重组是否能产生很好的适应性表现型而不干扰 现有功能。
分子生态学(molecular ecology)
概念 研究 内容
以生物活性分子， 特别是以核酸分子 为中心同其分 子环境关系的生态 学
阐明生命体和相关细胞 的各种生物活性分子及其分 子环境与网络相互作用的生 理平衡态 和病理失调态的分子机制， 从而提出促进生理平衡和防 止与治疗 病理失调的措施及方法。
2.4 生态学中的遗传学
生态遗传学是研究遗传与环境对野生种 群中个体间的变异所起作用的学科 选择作用是通过降低 猎物在不同生境中被 捕食者发 现的可能性而保存了 它们的多样性
特征性状在时间上的频变与生态因子和 自然选择压力相关联的。
中性论与选择论论争的焦点
中性学 说
选择论 者
大多数的进化 突变代换并不 是正达尔文选 择产生的，而 是由选择中性 的或近于中性 的突变的随机 固定产生的。
不否认遗传漂变， 但认为选择更重 要。“奠基者效 应和初始条件、 遗传漂变、取样 误差、瓶颈作用 等随机过程在自 然种群中的一定 范围内确实存在。
从本质上说，选 择论与中性论的 论争的是量上的 不同，其关键是 在自然种群的分 子进化中，自然 选择和随机漂变 的作用是谁主谁 次，二者各占多 大比例的问题。
个体全套的形 态、生理、生 化和行为特征
指一个个体基 因型对环境影 响的反应及根 据当地条件形 成不同表现型 的能力
遗传系统的进化
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自交水平
有性繁 殖程度
遗传系统进化
生活周期 中二倍体 与单倍体 世代的代 时长度比例
突变率和 重组率 等
遗传系统的进化
进化依赖于可进化的能力，即生物群具有产生出被自然选择所利用变异的能力。
宏观生态学、微生态学和分子生态学三者之间、既有学科 的联系性、也有学科的独立性。
分子生态学的原理
１
生物的生化一致性和多样性原理
2
生物大分子进化速率恒定原理
3
表信息分子生态适应与生态进化的原理
2.3 分子生态系统的结构组成
１
分子生态学的研究对象
２
分子生态学的进化观
分子生态学的研究对象
生物大 分子
检测分子进化机制的方法
理论统计预测法 由于突变率、迁移率、有效种群的大小动态和选择压力等生物学参数在动植物种群中多 是未知的，多数情况下，理论预测因参数未知或不确定和缺少统计学力度而告以失败 遗传—环境相关分析法
运用遗传与环境相关分析可以推断分子的多态性和杂合性是否具有适应意义。只有分析许多物 种、许多种群和许多位点中遗传多样性的性质，其检测结果才可令人信服。遗传与环境相关的 分析法完全能够满足这种检测的要求，因此这种方法被广泛应用。
中性突变的随机漂变理论，即中性学说认为， 由蛋白质和DNA序列的比较研究所揭示的分 子水平上的大多数进化变异，并不是出达尔 文选择而是内选择中性的或近中性的突变的 随机漂变造成的。
。
自然选择
生物进化理 论争论的焦点
自然选择
随机漂变
两者的相互作用可能在分子进化 的过程中起着决定性的作用
分子进化
基因组尺寸的进化
2.1 分子生态学概念的提出
运用现代分 子个物学的 技术研究传 统生态学的 有关规律
分子生态 学定义的 含义
包括核酸分子 在内的所有生 物活性分子所 表现出生命活 动时的分子生 态条件的规律 性
2.1 分子生态学概念的提出
分子生态学的理论基础
分子生态学的理论基础，还可能联系到生命的起源、生命的发展、生命的进 化和生物种的分化形成等等，甚至不可避免的要联系到这些生命活动的演化， 是在什么环境条件下进行。分子生态学发展的现阶段，还只能局限于以分子 生态学为基础的有关活性分子的分子生态的作用网络和连锁反应的水平。
海洋污染胁迫与等位酶的多态性
在海洋中和在实验室控制条件下，海洋生物等位酶的多样性并不是中性的，而是对污 染胁迫极为敏感。因此，海洋生物的适合度与等位酶的杂合性正相关，其结果从污染 胁迫角度支持了的生态位宽度变异假说。
基因型、表现型与表型的可塑性
遗传型
表现型
表现型可塑性
遗传型是一个 个体具有的全 套基因
分子生态学 (molecular ecology)
宏观生态学(macroe为中心同其环境关系的生态学， 是一门研究生物与生物、生物与环境的相互依赖、相互制约的 科学。
微生态学(microecology)
是以单细胞为中 心同其环境关系 的生态学
是一门研究一切生 物体(人类、动物、 植物和微生物)与其 内环境(微生态系) 的微生态平衡、微 生态失调及微生态 调整的学科。
2.2 分子生态学系统概念
分子生 态学
生物活 性分子
生态学
生物活性分 子的生态学
生物进行生 命活动的分 子
是生命科学领域 里的一个重要分 文学科，生态学 的理论与研究已 深人到生命科学 甚至非生命科学 的各领域
2.2 分子生态学系统概念
生态学
宏观生态学 (macroecology)
微生态学 (microecology)
分子生态学的实践性
分子生态学的实践性也是非常重要的，这不仅是学科本身发展的 需要，也是科学技术转化为生产力的需要。
2.1 分子生态学概念的提出
分子生态学是在分子水平上由生态学和生物学融合而成的新型 科学。我们对分子生态学的认识和分子生态平衡是生命本质的 认识，作为发展分子生态学的前提。分子生态学的发展是以分 子生物学的发展为基础。
微生态学与宏观生态学和分子生态学之间的联系
这三个生态学层次的划分，在国内已得到广泛的共识，这一划分的最新特点 有二：一是将生态学概念不是一般地同分子生物学相联系；而是将分子生态 学作为分子生物学向纵深发展的新兴学科看；二是将微生态学定义在细胞水 平。 生态学之所以从宏观水平深人到微观和分子水平，是由于生物学发 展到分子生物学水平和生命科学发展到对生命的本质进行探讨的程 度，这也是科学发展的规律性的必然反映。
第2章 分子生态学的基本理论
李永峰
李巧燕
教授
研究生
目录
1 2
分子生态学概念的提出
分子生态学系统概念
３ 4
分子生态系统的结构组成
生态学中的遗传学
2.1 分子生态学概念的提出
生命科学是研究生物生命活动规律的科学
分子生物学的概念只停留在生物学的认 识水平是不够的
分子生物学
分子生物学必须含有生态学的概念
基因组尺寸如何进化是一个早已存在的问题，然而，由于基因组测序的 进行，这个问题现在反而变得新奇起来。 基因组复杂性从单细胞到多细胞真核生物升高的方式与基因组大小特别 是编码区的大小并无直接的关系，编码区的延长不能解释特定生物体 （门、种系、组织等）中出现的许多新功能。
分子进化的动力
分子水平上生物的进化可以看作是一个两步的过程；首先 是突变和重组，由此产生出可遗传的变异；其次是遗传变 异有差异的世代相传。
分子生态学研究对象
生物大分子之 间的相互作用
生物小分 子，如激 素等
分子生态学的进化观 分子生态学的进一步发展从根本上改变了 进化生物学的研究。主要表现在一下几个 方面：
①分子生态学提供了强大的新技术
②分子生态学通常能回答一些进化的老问题
③分子生态学提出了全新的问题
分子中性突变
中性突变的随 机漂变理论， 即中性学说