第14章 生物多样性如何进化

生物学导论第14章 生物多样性如何进化思维导图

第14章 生物多样性如何进化

• 概述：宏观进化和生物多样性
  • 宏进化
    • 化石记录中的主要生物学变化
    • 物种增多——生物的多样性
    • 进化上的新事物起源——鸟的翅膀、人的大脑
    • 某些进化革新后的爆炸性多样化——花出现之后，千万个植物物种的起源
    • 以及集群性灭绝后可产生新的适应性爆发
  • 物种形成的模式
    • 非分支进化：；一个种群由于适应了变化中的环境而改变，甚至变成新物种
    • 分支进化：一个物种由于适应环境而分支出一个或多个新物种，而原物种继续存在。生命进化史的主要模式，产生生物多样性
• 物种起源
  • 什么是物种
    • 物种：天然种群中可以相互交配的集群而且与其他集群有生殖隔离
    • 此概念以有性生殖为前提，不能用于所有的情况
  • 物种间的生殖屏障
    • 合子前屏障：妨碍种间交配或在种间交配时阻止受精
      • 时间隔离：交配或开花生在不同的季节
      • 栖息地隔离：种群生活在不同栖息地，不能相会
      • 行为隔离：雌雄之间无性吸引
      • 机械隔离：生殖器官或花在结构上的差异阻止交配或传粉
      • 配子隔离：雌雄配子不能受精结合
    • 合子后屏障：种间交配形成杂交合子后发生杂种不活或杂种不育
      • 杂种无生活力：杂种合子不能发育或不能达到成年
      • 杂种不育：杂种不能产生有生殖能力的配子
  • 物种形成的机制： 某一群体的基因库由于某些原因，从 其同物种基因库中切离出来，在自然 选择的作用下，这个群体可沿着自己 的路线进化，形成新的物种
    • 异域物种形成 （其基因流的根本障碍是地理隔离，几个地理过程 可将一个种群分成两个或更多独立的种群）
      • 当一个种群既小又被隔离时，异域物种形成的可能性增加，因为更容易发生基因库的改变
      • 隔离种群和亲本种群发生生殖隔离进化
      • 异域种群分离与物种移动能力的强弱相关
    • 同域物种形成 （不经过地理隔离，在同一区域形成新种。动物界 少见，涵盖25%的植物物种）
      • 德·弗里斯（荷兰）1903年发现同域物种形成机制——4N报春花
      • 多倍体物种：来自一个亲本物种；更多起源于两个种的杂交
      • 同域物种形成机制产生多种食用植物：燕麦、马铃薯、香蕉、花生、大麦、苹果、甘蔗、咖啡和小麦。现代的小麦，是20多个物种杂交的结果
  • 物种形成的节奏
    • 渐进模式： 发生于漫长时间内的许多小变化的积累到一定程度，产生新物种
    • 点断平衡模式： 物种以相当迅速的变化爆发式地变成不同的物种，而不是缓慢地变成不同物种
      • 化石记录中，新物种出现比较突然，难以找到逐渐过渡的化石证据
      • 同域物种形成可以很快发生
      • 异域物种形成也可以在几百代到几千代中发生。在形成的数千年内，物种的变化已经逐渐积累，而一个成功物种平均要存在几百万年
      • 物种形成后会继续变化，但是变化多为非解剖学上的
• 生物革新的进化
  • 旧结构对新功能的适应 鸟的翅膀和人类的大脑
    • 已存在的结构在执行新功能时逐渐改进、完善
    • 生物体大多数结构都有进化的可塑性，即有执行不同功能的潜能
    • 联适应：在某一环境中进化的而又适应于其他功能，如进化中鸟类蜂窝状的骨骼很轻，适应了未来的飞行。联适应是通过一系列中间的阶段逐渐生成新结构的一种机制，每种结构在其进化的每一阶段的环境中都有某种功能
    • 生物革新进化正是自然选择引起的许多小变化积累起来便成为大的变化
  • 发育和进化革新
    • 渐变的进化改造可能蕴含着种群中大量的遗传变化
    • 另一方面，较少的遗传变化可以导致主要结构的改变
      • 编码发育的基因在一个生物从合子到成体的变化过程中控制着变化的速率、时间及空间模式——小变化产生大影响
        • 美西螈存在幼体发育：成体中保留有幼体的结构——如外鳃等
        • 人类和黑猩猩幼体时头骨相似，但因为人类器官生长在发育过程中终止较晚，所以大脑比黑猩猩多生长几年
• 多种多样生物的分类
  • 分类学基础
    • 系统学：是对过去和现在生物多样性的研究（重构进化史）。包括分类学
    • 分类学是指对物种进行鉴定、命名和分类
      • 给物种命名 林奈的分类系统
        • 双名法 每个物种由两部分拉丁文名称组成，属名+种名；双名斜体书写，属名第一个字母大写
        • 分类等级，物种被划入越来越大的分类单位
        • 级系分类法 域界门纲目科属种
  • 分类学和种系发生
    • 种系发生，即物种进化史 系统学家将物种在分类序列中逐级归类，形成系统发生树
    • 区分同源性和同功性
      • 同源结构反映种系发生关系，如脊椎动物的上肢，尽管相貌相差甚远，但拥有基本的相似性，因为有共同的祖先进化而来但并非所有相似的器官都来自同一个祖先，即具有同源性，如鲸的肢骨和蝙蝠的翅膀（两个物种间同源结构越多，亲缘关系越近）
      • 许多物种属于不同进化树，被自然选择塑造成相似的结构，称趋同进化，由于趋同进化而具有的相似性称为同功性，如鸟和昆虫的翅膀
      • 区分同源性和同功性，适应往往使同源性模糊
        • 比较胚胎发育
        • 两种相似的结构越复杂，独立进化的可能性越小，即越可能有同源性
    • 分子生物学是系统学的工具
      • 比较生物的基因及其产物——DNA序列和其编码蛋白质的氨基酸序列——两个物种DNA及氨基酸序列越相似，即同源性越强，它们从共同祖先分支得越晚
      • 分子的系统学为验证物种的种系发生假说提供了新方法
        • 分子的数据与其他追踪种系的方法一致，如解剖同源性评价、化石分析
        • 保存较好的化石，可以直接提取DNA进行分析
    • 分支系统学革命
      • 分子生物学结合计算机技术，产生了分支系统分析
      • 分支分析是对进化支的科学探索
        • 进化支是指包括祖先及其所有后代在进化树上的明确分支
        • 进化支的每一项可能是物种或更高一级的分类阶元
        • 确定进化支的核心是分析每组生物的独特的同源性，界定进化分支点的进化革新
      • 分支分析成为最广泛应用的系统学方法，建立反映种系发生的分类方案，解决形态上的两难问题
  • 生物的分界
    • 五界系统
      • 最早的生物
        • 原核生物界
        • 原生生物界 （真核生物，大部分为单细胞）
        • 植物界
        • 真菌界
        • 动物界
    • 三域系统
      • 最早的生物
        • 细菌域
        • 古细菌域
        • 真核生物域
      • 分子生物学和细胞学证据表明，细菌和古细菌在生命史很早期就分开，古细菌比细菌更接近真核生物
• 地球的历史和宏观进化
  • 地质年代与化石记录
    • 沉积岩是最丰富的化石资源；岩石顺序记载化石相对年龄
    • 判断化石年龄，常用放射分析年代测定法，误差不到1%
      • 碳14是半衰期为5600年的放射性同位素。生物死后，停止从环境中摄取碳元素，而体内的碳14因衰变而逐渐减少，由此可判断化石中生物的年代
      • 碳14在生物体中含量极低，半衰期相对较短，只能用于判定少于5万年的化石的年代
      • 判定年代更久的化石，要用半衰期更长的放射性同位素如铀、铅
    • 地质年代表
  • 大陆漂移和宏进化
    • 大陆漂移两个时期对生命影响大
      • 古生代末期（2.5亿年前） 板块运动使所有大陆集聚，被称为“泛大陆”，海平面降低，沿海潜水排走，大部分浅海生物受影响；沿海地区干燥和气候较恶劣的内陆增加，陆生生物大受影响；变化的洋流也影响海陆生物；许多生物灭绝（二叠纪灭绝），幸存者分支进化而多样化
      • 中生代（1.8亿年前） 泛大陆开始破裂，大陆漂移，每块大陆都成为独立的生物进化区域，不同生物地理区域的生物开始多样化
      • 大陆分离模式解答了
        • 相距遥远的大陆有相似的化石——相连的大陆分离
        • 气候环境相似的大陆有这不同的动植物区系——大陆分离后的独自进化
  • 集群灭绝和生物多样性的爆发
    • 化石记录揭示：较长的相对稳定的时期被短暂的间隔时期所打断，在间隔时期物种组成的转换规模巨大，包括集群灭绝和生物多样性的爆发
      • 6千5百万年前的白垩纪末，半数以上的海生动物和许多陆生动植物、包括恐龙，都灭绝了（白垩纪灭绝）假说：
        • 陨石或彗星撞击地球
        • 印度化石记录表明：白垩纪晚期大规模的火山向大气释放尘埃，遮住阳光，气候变冷
      • 灭绝不可避免，在过去的6亿年内发生过6次集群灭绝
        • 每次灭绝后幸存者会爆发多样性
          • 如哺乳类在白垩纪末的爆发，与恐龙灭绝有关
          • 二叠纪灭绝与爬行类的繁盛
        • 灭绝后出现的进化革新引起多样性爆发，如飞行
    • 6次集群灭绝
      • 第一次，在距今4.4亿年前的奥陶纪末期，是地球史上第三大物种灭绝事件，约85%的物种灭绝
      • 第二次，在距今约3.65亿年前的泥盆纪后期，历经两个高峰，中间间隔100万年，是地球史上第四大的物种灭绝事件，海洋生物遭到重创
      • 第三次，距今约2.5亿年前的二叠纪末期，估计地球上有96%的物种灭绝，其中90%的海洋生物和70%的陆地脊椎动物灭绝，是地球史上最大也是最严重的物种灭绝事件
      • 第四次，距今1.95亿年前的三叠纪末期，估计有76%的物种，其中主要是海洋生物在这次灭绝中消失
      • 第五次，距今6500万年前白垩纪末期，是地球史上第二大生物灭绝事件，约75%-80%的物种灭绝
      • 第六次生物大灭绝，距今1万年前更新世纪末期开始的，哺乳动物和鸟类的灭绝
• 复习题