第四讲种群生态学优秀PPT.ppt

第四讲种群生态学1第一页，本课件共有37页第三章第三章种群的遗传与进化种群的遗传与进化n n第一节第一节种群及其基本特征种群及其基本特征n n第二节第二节种群的遗传与进化种群的遗传与进化n n第三节第三节种内、种间关系种内、种间关系n n参考文献参考文献参考文献参考文献n n思考题思考题思考题思考题2第二页，本课件共有37页第二节第二节种群种群的遗传与进化的遗传与进化n1遗传变异遗传变异n2物种进化物种进化n3物种形成物种形成n4种群进化对策种群进化对策n参考文献参考文献n思考题思考题3第三页，本课件共有37页1遗传变异遗传变异n基因库和基因频率基因库和基因频率n变异和遗传多样性变异和遗传多样性4第四页，本课件共有37页基因库和基因频率基因库和基因频率n基因和等位基因基因和等位基因n基因是带有可产生特定蛋白质遗传密码基因是带有可产生特定蛋白质遗传密码n的的DNA片段片段,在二倍体生物在二倍体生物,由两个等位基由两个等位基n因构成因构成,每一等位基因来自一条同源染色体。每一等位基因来自一条同源染色体。n遗传型和表现型遗传型和表现型n个体的遗传结构叫遗传型，遗传型在个个体的遗传结构叫遗传型，遗传型在个n体中的表达叫表现型。体中的表达叫表现型。5第五页，本课件共有37页基因组和基因库基因组和基因库一个物种的全部遗传信息的总和则称为基因组一个物种的全部遗传信息的总和则称为基因组(genome)。种群中全部个体的所有基因总和称种群中全部个体的所有基因总和称基因库（基因库（genepool）。）。基因频率和哈温定律基因频率和哈温定律基因频率基因频率:种群中某一基因出现的频率种群中某一基因出现的频率哈温定律（哈温定律（Hardy-Weinberglaw）：指在：指在一个巨大的、随机交配和没有干扰基因平衡因一个巨大的、随机交配和没有干扰基因平衡因素的种群中，基因型频率将世代保持稳定不变。素的种群中，基因型频率将世代保持稳定不变。多形现象多形现象(polymorphism):种群中许多等位种群中许多等位基因的存在导致一种以上的表现型。基因的存在导致一种以上的表现型。6第六页，本课件共有37页基因型频率和基因频率计算基因型频率和基因频率计算n基因型频率基因型频率n种群中有种群中有N个体，等位基因为个体，等位基因为A1、A2两个，两个，n1个个A1A1，n2个个A1A2，n3个个A2A2nA1A1频率：频率：x=n1/N；nA1A2频率：频率：y=n2/N；nA2A2频率：频率：z=n3/NnX+y+z=n1/N+n2/N+n3/N=100%7第七页，本课件共有37页n2N配子配子n基因频率：基因频率：nA1频率：频率：:p=(2n1+n2)/2NnA2频率：频率：:q=(n2+2n3)/2NnP+q=1nX=p2,y=2pq,z=q2n例如种群基因库有例如种群基因库有50%A150%，A250%那么那么A1A1为为25%，A1A250%，A2A2为为25%。如果环境稳定，交配随机，。如果环境稳定，交配随机，遗传稳定。遗传稳定。8第八页，本课件共有37页基因组基因组n自丹麦的学者约翰逊用基因自丹麦的学者约翰逊用基因(gene)这个词来表述孟德尔在豌豆这个词来表述孟德尔在豌豆杂交实验中发现的杂交实验中发现的“性状单位性状单位”或或“单位因子单位因子”以来以来,基因这基因这个词已被普遍接受和沿用了九十年。其含义亦随着对遗传物质认识个词已被普遍接受和沿用了九十年。其含义亦随着对遗传物质认识的深化而逐渐具体化。的深化而逐渐具体化。n基因的现代定义可表述为基因的现代定义可表述为:遗传信息的结构与功能的单位遗传信息的结构与功能的单位。指一。指一段段DNA分子分子,也可以是一段也可以是一段RNA分子分子(如如RNA病毒病毒)。n一个物种的全部遗传信息的总和则称为基因组一个物种的全部遗传信息的总和则称为基因组(genome),既既可以指一套染色体可以指一套染色体(单倍体单倍体),也可以指其中的全部核酸。比如人也可以指其中的全部核酸。比如人类基因组即指人的类基因组即指人的23条染色体条染色体(22条常染色体和一条性染色体条常染色体和一条性染色体)或或23条染色体内的全部条染色体内的全部DNA,由由23条极长的条极长的DNA分子分子,总共总共约约3109个核苷酸组成。个核苷酸组成。9第九页，本课件共有37页基因组学基因组学n1986年美国年美国JohnsHopkins大学著名人类遗传学家和内科教授大学著名人类遗传学家和内科教授McKusick造了基因组学造了基因组学(Genomics)这个名词这个名词,意指从基因组水意指从基因组水平研究遗传的学科。平研究遗传的学科。n这个词一经提出立刻被广泛接受这个词一经提出立刻被广泛接受,出现于科学著作乃至大众传出现于科学著作乃至大众传媒。这方面的专业刊物也陆续出现媒。这方面的专业刊物也陆续出现,如如Genomics,Gemome,GenomeResearch等。等。n但大量关于基因组研究的论文仍发表于各传统的遗传学刊物和最有影但大量关于基因组研究的论文仍发表于各传统的遗传学刊物和最有影响的学术刊物响的学术刊物,如如Science,Nature,NatureGenetics等。等。n基因组学无疑已成为当前和今后相当长的时期内最活跃和影基因组学无疑已成为当前和今后相当长的时期内最活跃和影响最大的学科之一。响最大的学科之一。10第十页，本课件共有37页变异和遗传多样性变异和遗传多样性n变异（变异（variation）和遗传漂变（）和遗传漂变（geneticdrift）n变异是指个体或群体之间的形态、生理、行为和生态特征上的差变异是指个体或群体之间的形态、生理、行为和生态特征上的差别和区别，通常指遗传别和区别，通常指遗传变异。变异。n基因频率在小的种群里随机增减的现象称基因频率在小的种群里随机增减的现象称遗传漂变。遗传漂变。n遗传多样性遗传多样性n遗传多样性可表现在种群、个体、组织和细胞、分子水平，遗传多样性可表现在种群、个体、组织和细胞、分子水平，最直接的表现形式就是遗传变异水平的高低。最直接的表现形式就是遗传变异水平的高低。n检测遗传多性的主要方法有：检测遗传多性的主要方法有：形态学技术；染色体技术；等位酶形态学技术；染色体技术；等位酶技术；技术；DNA技术。技术。11第十一页，本课件共有37页2物种进化物种进化n进化动力进化动力n自然选择类型自然选择类型n种群对自然选择压力反应的时空变化种群对自然选择压力反应的时空变化12第十二页，本课件共有37页进化动力进化动力n进化动力：自然选择和遗传漂变是两种进化的动进化动力：自然选择和遗传漂变是两种进化的动力。力。n两种进化动力的作用：两种进化动力的作用：n中性说：中性说：认为遗传变异完全是突变和遗传漂变认为遗传变异完全是突变和遗传漂变的结果，不包括自然选择。的结果，不包括自然选择。n筛选说：筛选说：认为遗传变异是突变、遗传漂变和自认为遗传变异是突变、遗传漂变和自然选择的联合结果。然选择的联合结果。n平衡选择说：平衡选择说：认为遗传变异完全是自然选择的结果。认为遗传变异完全是自然选择的结果。13第十三页，本课件共有37页自然选择类型自然选择类型n作用于表作用于表现型特征现型特征的自然选的自然选择，按其择，按其选择结果选择结果可分为三可分为三类：类：n稳定选择稳定选择n定向选择定向选择n分裂选择分裂选择均数均数频频率率选择前选择前选择后选择后定向选择定向选择稳定选择稳定选择分裂选择分裂选择选选择择压压力力14第十四页，本课件共有37页n1.稳稳定定选选择择（stabilllzingsclection）：当当环环境境条条件件对对靠靠近近种种群群的的数数量量性性状状正正态态分分布布线线中中间间（即即具具平平均均值值的的）那那些些个个体体有有利利，而而淘淘汰汰两两侧侧的的“极极端端”个个体体时时，选选择择属属于于稳定型。稳定型。n2.定定向向选选择择：当当选选择择对对一一侧侧的的“极极端端”的的个个体体有有利利，从从而而使使种种群群的的平平均均值值向向这这一一侧侧移动，选择属定向型。移动，选择属定向型。n3.分分裂裂选选择择（disruptiveselection）：使使选选择择对对两两侧侧的的个个体体有有利利，而而不不利利于于中中间间的个体，从而使种群分成两个部分。的个体，从而使种群分成两个部分。15第十五页，本课件共有37页种群对自然选择压力时空变化的反应种群对自然选择压力时空变化的反应n广布种广布种:在形态、生理、行为和生态特征往往在不同地区有在形态、生理、行为和生态特征往往在不同地区有显著的差异，称显著的差异，称地理变异。地理变异。地理变异反映了物种种群对于环地理变异反映了物种种群对于环境选择压力空间变化的反应。环境压力的变化有时是连续境选择压力空间变化的反应。环境压力的变化有时是连续的，有时是不连续的，生物的适应性反应也可分两类，形的，有时是不连续的，生物的适应性反应也可分两类，形成成渐变群和地理亚种渐变群和地理亚种。n渐变群渐变群（cline）:选择压力地理空间上的连续变化导致基因选择压力地理空间上的连续变化导致基因频率或表现型的渐变，形成一变异梯度，称为渐变群。频率或表现型的渐变，形成一变异梯度，称为渐变群。n工业黑化现象工业黑化现象（industrialmelanism）:桦尺蠖（桦尺蠖（Biston betularia）在污染区黑色型占优势，在未污染区则仍）在污染区黑色型占优势，在未污染区则仍以浅色型个体占优势。以浅色型个体占优势。16第十六页，本课件共有37页3物种形成物种形成n物种形成的步骤物种形成的步骤n物种形成的方式物种形成的方式17第十七页，本课件共有37页物种形成的物种形成的步骤步骤n地理物种形成学说地理物种形成学说认为：物种形成认为：物种形成(allopatricspeciation)过程大致分过程大致分三个步骤三个步骤：n地理隔离；地理隔离；n独立进化；独立进化；n生殖隔离机制的建立。生殖隔离机制的建立。18第十八页，本课件共有37页物种形成的物种形成的方式方式n物种形成的方式一般分为三类：物种形成的方式一般分为三类：同域性物种形成（同域性物种形成（symptricspeciation）。n邻域性物种形成（邻域性物种形成（parapatricspeciation）；异域性物种形成（异域性物种形成（allopatricspeciation）；19第十九页，本课件共有37页物种形成物种形成 speciationn 同同 域域 性性 物物 种种 形形 成成（symptricspeciation）（有有称称继继承承式式物物种种形形成成）。同同一一地地区区内内一一个个物物种种逐逐渐渐演演变变成成另另一一个个物物种种。如如在在东东南南欧欧第第三三纪纪地地层层中中发发现现的的从从壳壳无无棱棱的的芮芮氏氏螺螺经经过过许许多多中中间间类类型型发发展出壳展出壳有棱有棱的贺氏螺的贺氏螺。20第二十页，本课件共有37页n邻邻域域性性物物种种形形成成（分分化化式式物物种种形形成成）。一一个个物物种种在在其其分分布布范范围围内内经经过过亚亚种种逐逐渐渐分分化化出出不不同同的的物物种种。例例如如，大大山山雀雀有有3个个主主要要的的亚亚种种。其其中中小小山山雀雀亚亚种种分分布布在在中中国国、朝朝鲜鲜和和库库页页岛岛一一带带；南南山山雀雀亚亚种种分分布布在在中中国国华华南南、印印度度、伊伊朗朗、土土耳耳其其和和亚亚洲洲南南部部其其他他地地方方；大大山山雀雀亚亚种种分分布布在在欧欧洲洲和和西西伯伯利利亚亚。小小山山雀雀亚亚种种和和南南山山雀雀亚亚种种在在中中国国华华南南相相遇遇，彼彼此此能能杂杂交交产产生生后后代代；南南山山雀雀亚亚种种和和大大山山雀雀亚亚种种在在伊伊朗朗相相遇遇，彼彼此此亦亦能能杂杂交交产产生生后后代代；但但是是大大山山雀雀亚亚种种和和小小山山雀雀亚亚种种在在中中国国东东北北的的黑黑龙龙江江区区域域相相遇遇，彼彼此此不不杂杂交交。显显然然，如如果果没没有有南南山山雀雀亚亚种种，小小山山雀雀亚亚种种和和大大山山雀雀亚亚种种就就是是两两个个物物种种了了。这这表表明明大大山山雀雀正正处处在在通通过过亚亚种种形形成成3个个物物种种的的过过程程之之中中。加加拉拉帕帕戈戈斯斯群群岛岛上上的的14种种达达尔尔文文莺莺鸟鸟大大概概也也是是通通过这种方式形成的过这种方式形成的。21第二十一页，本课件共有37页n异异域域性性物物种种形形成成（多多倍倍化化的的物物种种形形成成）。一一般般是是由由远远缘缘杂杂交交所所产产生生的的杂杂种种，经经过过染染色色体体的的偶偶然然加加倍倍而而形形成成新新种种。多多倍倍化化的的物物种种形形成成在在高高等等植植物物显显得得特特别别重重要要。据据报报道道，多多倍倍体体植植物物在在双双子子叶叶植植物物中中约约占占43，在在单单子子叶叶植植物物中中约约占占58。一一些些重重要要农农作作物物如如小小麦麦、棉棉花花、烟烟草草、燕燕麦麦等等都都是是异异源源多多倍倍体体。要要从从旧旧物物种种产产生生新新物物种种，有有两两个个必必要要的的条条件件：有有能能遗遗传传的的变变异异，包包括括基基因因突突变变、染染色色体体畸畸变变和和基基因因的的重重组组合合，以以及及调调控控基基因因的的变变化化等等。环环境境的的变变化化，由由此此产产生生出出新新的的选选择择压压力力，从从而而有有利利于于基基因因频频率率的的改改变变和和新新基基因因库库的的出出现和发展。如果环境始终不变，亦难以出现新种。现和发展。如果环境始终不变，亦难以出现新种。22第二十二页，本课件共有37页物种形成的三类方式物种形成的三类方式n1、地理、地理隔离隔离n2、独、独立进化立进化n2、生、生殖隔离殖隔离异域的异域的A异域的异域的B邻域的邻域的同域的同域的23第二十三页，本课件共有37页4种群进化对策种群进化对策n生态对策生态对策nr-对策对策nK-对策对策nr-K连续体连续体nr-选择和选择和K-选择的特征比较选择的特征比较nr-选择的优缺点选择的优缺点nK-选择的优缺点选择的优缺点nr-对策和对策和K-对策种群的增长曲线比较对策种群的增长曲线比较nR-、C-和和S-选择的生活史模式选择的生活史模式24第二十四页，本课件共有37页进化稳定策略（进化稳定策略（ESS）动物一生最终的目的是要把自己的基因尽可能多地遗传下去，动物一生最终的目的是要把自己的基因尽可能多地遗传下去，为此它的各类行为，包括双亲行为、竞争行为、利它行为此它的各类行为，包括双亲行为、竞争行为、利它行为，以及相互的通讯等行为，在千万年的进化过程中处为，以及相互的通讯等行为，在千万年的进化过程中处于最适宜的程度，这种适应过程是通过长期自然选择的于最适宜的程度，这种适应过程是通过长期自然选择的途径实现的。途径实现的。n进化稳定策略（进化稳定策略（EvolutionaryStableStrategy，ESS）对此类问题可做一定程度的解答。其核心思想是，对此类问题可做一定程度的解答。其核心思想是，凡是种群中大部分成员所采用的（其他策略与之相比是较差）凡是种群中大部分成员所采用的（其他策略与之相比是较差）某种最佳策略就是进化上的稳定策略某种最佳策略就是进化上的稳定策略.n任何偏离任何偏离ESS的行为将受到自然选择的惩罚与淘汰。的行为将受到自然选择的惩罚与淘汰。25第二十五页，本课件共有37页生态对策生态对策n生态对策生态对策(bionomicstrategy)（生活史对策（生活史对策lifehistorystrategy）：生物在进化过程中，对某一些特定的）：生物在进化过程中，对某一些特定的生态压力所采取的生活史或行为模式，称生态对策。生态压力所采取的生活史或行为模式，称生态对策。n繁殖对策繁殖对策n取食对策取食对策n避敌对策避敌对策n扩散对策扩散对策nr对策和对策和K对策对策26第二十六页，本课件共有37页r-对策对策nr-对策对策(r-strategy)：生活在条件严酷和不可预：生活在条件严酷和不可预测环境中，种群死亡率通常与密度无关，种群内测环境中，种群死亡率通常与密度无关，种群内的个体常把较多的能量用于生殖，而把较少的能的个体常把较多的能量用于生殖，而把较少的能量用于生长、代谢和增强自身的竞争能力。量用于生长、代谢和增强自身的竞争能力。nr-选择选择(r-selection)：采取：采取r-对策的生物称对策的生物称r-选择者选择者,通常是短命的，生殖率很高，可以产生大通常是短命的，生殖率很高，可以产生大量的后代，但后代的存活率低，发育快，成体体形量的后代，但后代的存活率低，发育快，成体体形小。小。27第二十七页，本课件共有37页K-对策对策nK-对策对策(K-strategy)：生活在条件优越和可预测：生活在条件优越和可预测环境中，其死亡率大都取决于密度相关的因素，环境中，其死亡率大都取决于密度相关的因素，生物之间存在着激烈的竞争，因此种群内的个体生物之间存在着激烈的竞争，因此种群内的个体常把更多的能量用于除生殖以外的其他各种活动。常把更多的能量用于除生殖以外的其他各种活动。nK-选择（选择（K-selection）者：采取）者：采取K-对策的生对策的生物称物称K-选择者，通常是长大寿命的，种群数量稳定，选择者，通常是长大寿命的，种群数量稳定，竞争能力强，个体大但生殖力弱，只能产生很少的竞争能力强，个体大但生殖力弱，只能产生很少的后代，亲代对后代有很好的关怀，发育速度慢，成后代，亲代对后代有很好的关怀，发育速度慢，成体体形大。体体形大。28第二十八页，本课件共有37页r-K连续体连续体nr-Kr-K连续体（连续体（r-K continuum r-K continuum）:r-:r-选择选择 和和K-K-选择是两个进化方向的不同选择是两个进化方向的不同类型，从极端的类型，从极端的r-r-选择到极端的选择到极端的K-K-选选择之间有许多择之间有许多 过渡类型，有的更接过渡类型，有的更接近于近于r-r-选择，有的更接近于选择，有的更接近于K-K-选择，选择，两者间有一个连续的谱系，两者间有一个连续的谱系，称称r-Kr-K连连续体。续体。29第二十九页，本课件共有37页r-对策的优缺点对策的优缺点nr-对策的优缺点：对策的优缺点：n优点：生殖率高，发育速度快，世代时间短，因此，优点：生殖率高，发育速度快，世代时间短，因此，种群在数量较低时，可以迅速恢复到较高的水平；种群在数量较低时，可以迅速恢复到较高的水平；后代数量多，通常具有较大的扩散迁移能力，可迅后代数量多，通常具有较大的扩散迁移能力，可迅速离开恶化的环境，在其他地方建立新种群，因此，速离开恶化的环境，在其他地方建立新种群，因此，常常出现在群落演替的早期阶段；由于高死亡率、常常出现在群落演替的早期阶段；由于高死亡率、高运动性和连续面临新环境，可能使其成为物种形高运动性和连续面临新环境，可能使其成为物种形成的新源泉。成的新源泉。n缺点：死亡率高、竞争力弱、缺乏对后代的关怀，缺点：死亡率高、竞争力弱、缺乏对后代的关怀，高的瞬时增长率必然导致种群的不稳定性，因此，高的瞬时增长率必然导致种群的不稳定性，因此，种群的密度经常激烈变动。种群的密度经常激烈变动。30第三十页，本课件共有37页K-对策的优缺点对策的优缺点nK-对策的优缺点：对策的优缺点：n优点：种群的数量较稳定，一般保持在优点：种群的数量较稳定，一般保持在K值附近，但不超值附近，但不超过此值，因此，导致生境退化的可能性小；具有个体大过此值，因此，导致生境退化的可能性小；具有个体大和竞争能力强等特征，保证它们在生存竞争中取得胜利。和竞争能力强等特征，保证它们在生存竞争中取得胜利。n缺点：由于缺点：由于r值较低，种群一旦遭到危害，难以恢复，值较低，种群一旦遭到危害，难以恢复，有可能灭绝。有可能灭绝。31第三十一页，本课件共有37页R-、C-和和S-选择的生活史模式选择的生活史模式nR-选择：在资源丰富的临时生境中的选选择：在资源丰富的临时生境中的选择，主要将资源分配给生殖。择，主要将资源分配给生殖。nC-选择：在资源丰富的可预测生增中的选择：在资源丰富的可预测生增中的选择，主要将资源分配给生长。选择，主要将资源分配给生长。nS-选择：在资源胁迫的生境中的选择，选择：在资源胁迫的生境中的选择，主要将资源分配给维持。主要将资源分配给维持。32第三十二页，本课件共有37页r-对策和对策和K-对策种群的增长曲线比较对策种群的增长曲线比较nS是稳定平衡是稳定平衡点点nX是绝灭点是绝灭点SXr-r-对策对策对策对策K-K-对策对策对策对策种群数量种群数量N Nt t种种群群数数量量N Nt+1t+133第三十三页，本课件共有37页第四章第四章种群的遗传与进化种群的遗传与进化参考文献参考文献n夏铭夏铭.遗传多样性研究进展遗传多样性研究进展.生态学杂志生态学杂志,1999,18(3)5965.n谢明谢明.遗传变异都是随机的吗遗传变异都是随机的吗?生物学杂志生物学杂志,1995,(4):7-10.n吴晣吴晣.基因组学基因组学,生物信息学及其对科学和社会的影响生物信息学及其对科学和社会的影响.世界科世界科技研究与发展技研究与发展,21(5):9-14.n黄百渠黄百渠,曾庆华曾庆华,尹东尹东.遗传多样性研究中的分子生物学方法遗传多样性研究中的分子生物学方法.东北东北师大学报自然科学版师大学报自然科学版,1996(3):90-92.34第三十四页，本课件共有37页第三节第三节种群的遗传与进化种群的遗传与进化思考题思考题名词解释名词解释1.遗传漂变（遗传漂变（geneticdrift）2.适合度适合度(fitness)3.渐变群（渐变群（cline）4.工业黑化现象（工业黑化现象（industrialmelanism）5.生态对策（生态对策（bionomicstrategy）6.r-选择选择（r-selection）7.K-选择（选择（K-selection）8.rK连续体（连续体（rKcontinuum）9.基因组和基因库基因组和基因库问答问答1.R对策和对策和K对策在进化过程中各有什么优缺点？对策在进化过程中各有什么优缺点？2.物种进行的方式有哪几种物种进行的方式有哪几种?3.简述遗传变异的生态学意义。简述遗传变异的生态学意义。4.种群进化过程中，自然选择有哪几类？种群进化过程中，自然选择有哪几类？35第三十五页，本课件共有37页n236第三十六页，本课件共有37页37第三十七页，本课件共有37页