厦门大学进化生物学第12章生态系统的进化

“红王后假说” 与 “逆水行舟，不进则退”
生态系统在时间尺度上的变化
短时间尺度上的变化：小周期； 中等时间尺度上的变化：生态演替； 长时间尺度上的变化：生态系统的进 化；
中等时间尺度上的变化：生态演替
♣ 随着时间的延伸若干植物群落依次替
代，最后达到稳定的演替顶级状态；
♣ 从幼期到成熟期，生态系统的结构趋
初级生态系统
• 约38～15亿年前，太古代－元古代； • 原核单胞异养厌氧菌出现并逐渐兴盛，演 化出光合细菌和蓝藻（菌）； • 真核细胞出现，多细胞生物出现，动、植 物分化； • 氧含量增加，海水温度上升，海水无机盐 浓度提高； • 系统由生产者、消费者和分解者构成，更 加协调与稳定；
次级生态系统
于复杂、生物多样性增多、生态功能 完善，稳定性增加；
群 落 演 替 I 湖 泊 演 替 为 森 林
长时间尺度上的变化：生态系统的进化 ◘ 生态系统大尺度的进化不可逆，包括 地圈变化； ◘ 复杂性和有序性增加，内部稳定性加 大，外界对生态系统的影响达到最小；
生态系统进化的动力
环境变迁（灾变）：全球温度下降或 上升，海平面变化，氧气含量升高， 小行星撞击等；
第十二章 生态系统的进化
充满生机的动态地球
“鹤的故乡”扎龙自然保护区
大丰麋鹿保护区
藏羚羊在可可西里
北极熊
极端环境下的生物(1)
1 格陵兰冰 川下沉睡 12万年细 菌
3 红海盐滩上 的耐盐细菌
2 深海火山口忍 耐高温的细菌
极端环境下的生物(2)
5 地球上抗辐射能力最强的生物
4 美国加州金矿毒液中的耐酸细菌
新物种（类群）出现：鱼类、两栖类、 爬行类、鸟类、哺乳类、人类；
地质史上生态系统进化的主要阶段
原始生态系统：约38～30亿年前。原始大
气圈、原始海洋、太阳辐射、原始异养生物等；
无机小分子 有机小分子 与外界分隔的有机多聚体 的有机多聚体（原始细胞）
生物大分子 能自我复制
地球——太阳系中唯一的绿洲？
• 住入4男4女1年多后发现，“生物圈2号”内部的温度过高， CO2的含量猛增，O2减少，不足以维持人和动物的生存。 19种脊椎动物死亡，除蟑螂、蟋蟀和蚂蚁外，其余昆虫也 全部死亡。靠昆虫传粉的植物也灭绝，实验以失败告终。
人类与环境
♠ 15亿年前以来；
♠ 世界气候变暖，大气层中的氧含量接近、 达到现代水平，臭氧层出现； ♠ 植物和动物陆续登陆，被子植物和哺乳动 物诞生并迅速发展；
人工生态系统
☻ 600～700万年前人类诞生； ☻ 近代人类用自己的智慧和创造的工 具对自然界施加越来越大的影响， 乃至破坏自然界亿万年来形成的生 态系统； ☻ 农田生态系统，人工林生态系统， 水库生态系统，城市生态系统等；
6 沙 漠 中 最 强 悍 细 菌
极端环境下的生物(3)
生物圈—最大的生态系统
进行着生命过程的地球表面外壳，地 球上有生命的那一部分；
生物圈的范围：水圈、岩石圈上部、 大气圈下部（上下10km）； 地球上所有生物，包括人，及其生存 环境的复合体；
生态系统的构成
非生物环境
生态系统
生物有机体
1953年米勒 模仿原始大气 以无机物合成 小分子有机物
海底“烟囱”是有机生命体的摇篮？
“土卫二”间歇泉不断向太空喷 水
2007年3月12日美国宇航局宣布：在“土卫二” 发现间歇泉不断喷射水柱和冰状颗粒，其地下可能 存在液态水。从而证实， “土卫二”具备生命发生 和生存的三大要素：稳定的热源、有机物和液态水。
生产者 消费者 分解者
生产者：能进行光合作用的各种绿色植物、 蓝绿藻和某些细菌，又称为自养生物。
消费者：以其他生物为食的各种动物 (素食动物、肉食动物、杂食动物和寄 生动物等)。这些直接或间接依赖于绿 色植物的生物属于异养型生物。
分解（还原）者：分解动植物残体、粪 便和各种有机物的细菌、真菌、原生动 物、蚯蚓和秃鹫等食腐动物。分解者和 消费者都是异养生物。
能量转换环节复杂化；
♣ 能量与信息从组织化低的生物向组织 化高的生物传递和转移；
竞争与共存
具有相同或相似需求的物种之间常因 有限的资源（食物、营养物、配偶等） 和生存空间展开激烈的竞争；
竞争的结局：

强者取代弱者； 各方或一方发生进化改变，降低竞争强度；
协同进化与共存
◑物种进化受到生态系统内其它物种和 非生物环境的双重制约； ◑相关物种的进化改变都以不造成对方 繁衍中断为前提，否则双方都不能生 存；
生态系统的进化趋势
• 复杂程度逐步提高； • 物质能量利用率逐步提高； • 占据空间逐步扩展； • 生态系统内的空间逐步被占用；
位于亚利桑那州荒漠中的
“生物圈2”号综合研究系统
生物圈2号——人类寻找“诺亚方舟”
• 1993年1月，美国亚利桑那州荒漠中建起占地1.28hm2与世 隔绝的 “生物圈2号”，包括热带雨林、热带草原、海洋、 沼泽、沙漠、农业区、人类居住区，约有4 000种生物； • 在封闭的“生物圈2号”中农作物秸秆作为动物的饲料， 动物产出的肉、蛋、奶及作物产品供人类食用。死亡动植 物和人、动物的排泄物经分解后返还农田。生活废水经处 理后循环利用。氧气由植物提供，呼出的CO2由植物吸收；
生产者与各级消费者
生产者 初级消费者 次级消费者 高级消费者
第一营养级
来自百度文库
第二营养级
第三营养级
第四营养级
湿地食物链
o 水生植物是初级生 产者； o 各种无脊椎动物、 鱼类、啮齿动物和 鸣禽吃植物，也吃 无脊椎动物； o 苍鹭和白鹭主要是 食肉的，鸭和鹬是 杂食的。鼩主要吃 无脊椎动物； o 鸮类(猫头鹰)和鹰 类是最高消费者；
温带草原生态系统食物网
北极地区食物网
生态金字塔示意图
生态金字塔
由于能量每经过一个营养级 时，被净同化的部分都要大大少 于前一营养级（大约10％）。当 营养级由低向高推进时，每一级 的个体数目、生物量或所含能量 就呈塔型分布，称生态金字塔。
生态系统的组织化
♣ 生态系统是一个自我调控、自我反馈、 自我维持的组织化信息系统； ♣ 生态系统进化的总趋势是复杂性和有 序性增加：生物多样性和结构层次增加，