生物的多样性
之前我们探讨了遗传和变异的规律，理解了生物性状如何代代相传，又如何在传递中产生差异。变异为生物进化提供了原材料，而自然选择则决定了哪些变异能够保留下来。正是在漫长的进化历程中，生物不断适应各种环境，分化出无数种类，形成了今天地球上丰富多彩的生命世界。这种生命形态的丰富性和多样性，不仅体现在物种数量上，更体现在它们各自独特的生存方式、形态结构和生理功能上。
生物多样性是地球上最宝贵的自然资源，它维系着生态系统的平衡，为人类提供食物、药物和各种生活必需品。从高山到深海，从热带雨林到极地冰原，生命以各种形式存在着。据科学家估计，地球上现存的物种至少有1000万种以上,而已被人类命名和描述的仅有约200万种。这意味着还有大量的生物物种等待我们去发现和研究。
中国幅员辽阔，地形复杂，气候多样，孕育了极其丰富的生物资源。从东北的原始森林到西南的热带雨林，从青藏高原到东海之滨，各种独特的生态环境造就了众多特有物种。大熊猫、金丝猴、白鳍豚、扬子鳄等珍稀动物都是中国的"国宝"，它们的存在丰富了全球的生物多样性。然而，随着人类活动的不断扩张，许多物种正面临生存威胁，保护生物多样性已成为全人类共同的责任。
本内容将系统介绍生物多样性的基本概念、生物分类的方法、地球生命的主要类群，以及如何科学保护生物多样性。通过学习，我们不仅能够认识生命世界的丰富多彩，更能理解保护生物多样性对人类生存和发展的重要意义。
什么是生物多样性
生物多样性的三个层次
生物多样性不仅仅指物种的数量多少，它包含了三个相互关联的层次。遗传多样性是最基本的层次，指的是同一物种内部基因的差异。就像人类虽然都属于同一个物种，但每个人的相貌、体质、性格都不尽相同，这正是遗传多样性的体现。物种多样性是指地球上生物种类的丰富程度，包括动物、植物、微生物等各种生命形式。生态系统多样性则是指不同类型生态系统的多样化，比如森林、草原、湿地、海洋等各具特色的生态环境。
这三个层次相互依存，共同构成完整的生物多样性体系。遗传多样性为物种的进化和适应提供基础，物种多样性丰富了生态系统的结构和功能，而生态系统多样性又为不同物种提供了生存空间。可以说，没有遗传多样性就没有物种的分化，没有物种多样性就无法形成复杂的生态系统，而没有多样化的生态系统，生物多样性也就失去了存在的基础。
生物多样性是生态系统稳定性的保障。一个物种越丰富的生态系统，抵抗外界干扰的能力就越强。
生物多样性的形成
生物多样性的形成是一个漫长的历史过程。地球诞生约46亿年以来,生命经历了从无到有、从简单到复杂、从水生到陆生的演化历程。在这个过程中,基因突变和基因重组不断产生新的遗传变异,自然选择决定哪些变异能够保留。当生物种群由于地理隔离、生态隔离等原因长期分离后,它们会沿着不同的方向进化,最终形成新的物种。
地球历史上经历过多次重大的地质和气候变化,这些变化既造成了大规模的物种灭绝,也为新物种的产生创造了机会。例如,6500万年前恐龙的灭绝为哺乳动物的繁荣发展腾出了生存空间。今天我们看到的生物多样性,正是亿万年进化的结果。每一个物种都是进化历程中的幸存者,都携带着独特的遗传信息,具有不可替代的价值。
中国地形地貌复杂,从海平面到海拔8000多米的高原,巨大的海拔落差造就了多样的气候带和生态环境。秦岭-淮河一线将中国分为南北两大气候区,青藏高原的隆起更是对东亚乃至全球气候产生深远影响。这些独特的地理条件,使中国成为世界上生物多样性最丰富的国家之一,许多古老的物种在这里得以保存,被称为“活化石”。
生物的分类
分类的意义和方法
面对地球上数以百万计的生物种类,如果不进行科学分类,我们将无法系统地认识和研究它们。生物分类学就像图书馆的分类系统,将浩如烟海的生物按照一定规则进行归类整理,使我们能够更好地理解生命世界的组织结构。
生物分类的基本单位是物种。瑞典科学家林奈在18世纪建立了双名法命名系统,这个系统至今仍在使用。每个物种都有一个由属名和种名组成的学名,比如人类的学名是Homo sapiens(智人),属于Homo属。这种统一的命名方法消除了不同语言、不同地区对同一物种称呼不同的混乱,为全世界科学家的交流提供了便利。
分类学家根据生物的形态结构、生理功能、生活习性、遗传特征等多方面特征进行分类。现代分类还结合了DNA序列分析等分子生物学技术,使分类更加准确可靠。两个物种共同特征越多,它们的亲缘关系就越近,在分类系统中的位置也越接近。
林奈的分类系统从小到大依次为:种、属、科、目、纲、门、界。这就像家庭住址一样,从门牌号、街道、区、市逐级扩大。
生物界的主要类群
现代生物学将地球上的生物划分为几个大的类群。最基本的划分是根据细胞结构的差异,将生物分为原核生物和真核生物两大类。原核生物的细胞没有成形的细胞核,DNA直接分散在细胞质中,包括细菌和古菌。真核生物的细胞则有被核膜包裹的细胞核,包括原生生物、真菌、植物和动物。
细菌是地球上分布最广、数量最多的生物。它们个体微小,结构简单,但生命力极强,从深海热泉到南极冰层,从高山到平原,几乎无处不在。细菌在自然界的物质循环中发挥着关键作用,比如土壤中的根瘤菌能够固定大气中的氮气,将其转化为植物可以吸收的氮素营养。人体内也生活着大量细菌,它们帮助消化食物、合成维生素,与人体形成互利共生的关系。
真菌是另一大类重要生物,包括酵母菌、霉菌和大型真菌如蘑菇。真菌不能进行光合作用,主要通过分解有机物获取营养。在森林生态系统中,真菌是最重要的分解者,它们能够分解落叶、枯木等植物残体,将其中的营养元素释放回土壤。许多真菌还与植物根系形成共生关系,帮助植物吸收水分和矿质元素。
植物是地球上最重要的生产者,通过光合作用将太阳能转化为化学能,为其他生物提供食物和氧气。从简单的藻类到复杂的被子植物,植物在长期进化中发展出多样的适应策略。苔藓植物矮小,依靠孢子繁殖,适合生活在阴湿环境。蕨类植物有了根茎叶的分化和输导组织,但仍需要水作为受精媒介。裸子植物如松柏,种子裸露,不需要水也能完成受精,开始真正征服陆地。被子植物则发展出花和果实,借助风、昆虫等传粉,种子受到果实保护,是目前地球上最繁盛的植物类群。
动物界的多样性更是令人惊叹。从单细胞的原生动物到结构复杂的脊椎动物,动物演化出各种身体构型和生活方式。无脊椎动物占动物种类的95%以上,包括海绵、腔肠动物、扁形动物、线形动物、环节动物、软体动物、节肢动物等。脊椎动物虽然种类较少,但包括了鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类这些我们熟悉的类群。
中国特有的珍稀动植物如大熊猫、银杉、水杉等,不仅是自然界的瑰宝,更是研究生物进化的活教材。
中国的生物多样性
丰富的生物资源
中国是世界上生物多样性最丰富的国家之一。全国有高等植物3万余种,仅次于巴西和哥伦比亚,居世界第三位。脊椎动物约6500种,占世界总数的10%以上。这样丰富的生物资源与中国辽阔的国土、复杂的地形和多样的气候密不可分。
从植物区系来看,中国横跨热带、亚热带、温带和寒温带,几乎包含了北半球所有的植被类型。热带雨林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、针叶林、草原、荒漠等生态系统在中国都有分布。特别是西南地区的横断山脉,由于地形起伏剧烈,在很短的水平距离内就有巨大的海拔变化,形成了从亚热带到高山冰雪带的完整植被垂直带谱,被称为生物多样性的热点地区。
中国还是许多栽培植物的起源中心。水稻起源于长江流域,在中国已有1万年以上的栽培历史。大豆、茶叶、桑树也都起源于中国。这些植物不仅养育了中华民族,也通过丝绸之路等途径传播到世界各地,对人类文明发展做出了重要贡献。许多重要的观赏植物如牡丹、菊花、杜鹃、山茶等的野生种也主要分布在中国。
珍稀特有种
中国地质历史复杂,第四纪冰期时许多地区成为生物的避难所,使得一些古老的物种得以保存下来。这些“活化石”对研究生物进化具有重要价值。银杉是典型的第三纪孑遗植物,仅分布在中国南方的几个小范围内,被称为“植物中的大熊猫”。水杉原本只在化石中发现,1941年在湖北利川被重新发现活体,轰动世界,被誉为20世纪植物学的重大发现。
大熊猫无疑是中国最著名的特有种。这种憨态可掬的动物曾广泛分布于中国中部和南部,但在第四纪冰期后栖息地大幅缩减,现在仅存于四川、陕西、甘肃的几个山地。大熊猫以竹子为食,这种特化的食性使其对环境变化非常敏感。经过几十年的保护努力,大熊猫的野外数量已从1980年代的约1000只增加到目前的1800多只,保护工作取得显著成效。
金丝猴是中国特有的灵长类动物,分为川金丝猴、滇金丝猴、黔金丝猴和越南金丝猴四个种。它们生活在高海拔的山地森林中,以树叶、果实为食,具有适应寒冷环境的厚密皮毛。扬子鳄是中国特有的鳄类,也是世界上现存鳄类中分布最北的种类,主要分布在长江中下游地区。这些珍稀动物的存在,见证了中国独特的自然历史。
生物多样性的价值
直接利用价值
生物多样性为人类提供了丰富的物质资源。我们的食物主要来自各种生物,粮食、蔬菜、水果来自植物,肉类、蛋类、奶制品来自动物。野生生物资源更是未来食物的重要来源,目前人类利用的植物仅占地球植物总数的很小一部分,还有大量野生植物具有开发潜力。
药用植物是生物多样性的另一重要价值。中国传统医学利用的药用植物多达上万种,很多现代药物也来源于天然产物。例如,抗疟疾药物青蒿素就是从中药青蒿中提取的,其发现者屠呦呦因此获得诺贝尔生理学或医学奖。许多植物中含有独特的化学成分,可能成为新药的来源,保护生物多样性就是在保护未来医学发展的可能性。
工业原料、纤维材料、香料、染料等也大量来自生物。木材是传统的建筑和家具材料,橡胶、棉花、麻类为纺织工业提供原料。现代生物技术还利用微生物生产酒精、抗生素、酶制剂等工业产品。可以说,生物多样性是支撑人类经济发展的重要基础。
间接价值和潜在价值
生物多样性的间接价值往往被人们忽视,但同样重要。森林被称为“地球之肺”,通过光合作用吸收二氧化碳、释放氧气,调节大气成分。森林还能涵养水源、保持水土、调节气候,这些生态服务功能难以用金钱衡量,却关系到人类的生存环境。
湿地是地球上生产力最高的生态系统之一,具有净化水质、蓄洪防旱、维护生物多样性等多种功能,被誉为“地球之肾”。海洋生态系统不仅提供丰富的水产资源,还在调节全球气候、维持碳循环方面发挥关键作用。珊瑚礁生态系统虽然面积不大,却是海洋中生物多样性最丰富的地方,被称为“海洋中的热带雨林”。
生物多样性的潜在价值更是无法估量。每个物种都是一个独特的基因库,携带着亿万年进化积累的遗传信息。这些基因资源可能在未来的农业育种、医药开发、生物技术等领域发挥重要作用。一旦物种灭绝,这些宝贵的基因信息将永远消失,人类也将失去利用这些资源的机会。
生物多样性是人类生存和发展的基础,保护生物多样性就是保护人类自己。
生物多样性面临的威胁
威胁的主要来源
当前,地球正经历第六次物种大灭绝,与前五次不同的是,这次灭绝的主要原因是人类活动。栖息地丧失是导致生物多样性减少的首要原因。随着农业扩张、城市建设、道路修筑,大片的自然栖息地被破坏或分割成小块,野生动植物失去生存空间。热带雨林面积的急剧缩减尤其令人担忧,因为雨林是地球上生物多样性最丰富的地方。
过度利用也是重要威胁。为获取木材、药材、毛皮等,人类对许多物种进行掠夺性开发。过度捕捞导致海洋渔业资源衰竭,象牙贸易使非洲象和亚洲象数量锐减,虎骨、犀角等中药材的需求威胁着虎和犀牛的生存。虽然国际社会已经禁止这些贸易,但非法捕猎仍屡禁不止。
环境污染对生物多样性的影响也不容忽视。工业废水、农药化肥的使用、空气污染等都会破坏生物的生存环境。尤其是持久性有机污染物会在食物链中富集,对位于食物链顶端的动物造成严重伤害。气候变化则是新出现的重大威胁,全球变暖导致许多物种的分布区发生变化,一些适应狭窄生态位的物种面临灭绝风险。
外来物种入侵同样值得关注。在全球化背景下,一些生物随着贸易往来进入新的环境,如果缺少天敌制约,可能疯狂繁殖,挤占本地物种的生存空间。水葫芦、紫茎泽兰等外来植物在中国南方泛滥成灾,松材线虫危害大片松林,福寿螺破坏稻田生态,这些都是外来物种入侵造成的问题。
保护生物多样性
就地保护和迁地保护
保护生物多样性有两种基本策略。就地保护是指在原有生境中保护生物及其生活环境,建立自然保护区是就地保护的主要形式。中国已建立各类自然保护区2700多个,总面积约占国土面积的15%。这些保护区覆盖了中国主要的生态系统类型和珍稀物种的栖息地。
四川卧龙自然保护区是保护大熊猫的典范,通过栖息地保护和人工繁育相结合,大熊猫数量稳步增加。三江源自然保护区是长江、黄河、澜沧江的发源地,保护这里的生态环境对整个流域的生态安全至关重要。海南热带雨林国家公园保护着中国面积最大、保存最完整的岛屿热带雨林,是海南长臂猿等珍稀物种的最后家园。
迁地保护是将物种迁出原栖息地,在植物园、动物园、种子库等地进行保护和繁育。这是对就地保护的重要补充,特别适用于栖息地已经严重破坏或种群数量极少的物种。中国建立了多个植物园和种质资源库,保存了大量珍稀濒危植物。动物园不仅是科普教育场所,也承担着珍稀动物的繁育任务,许多濒危物种通过人工繁育得以保存。
可持续利用
保护生物多样性不是禁止一切利用,而是要实现可持续利用。可持续利用的核心是在不破坏生态系统功能的前提下,合理利用生物资源,确保资源能够长期为人类服务。森林的可持续经营就是一个例子,通过科学规划采伐和更新,既能获得木材等林产品,又能维持森林生态系统的健康。
生态旅游是将保护与利用结合的成功模式。在保护好自然环境的前提下,开展适度的旅游活动,既能让公众亲近自然、增强保护意识,又能为当地社区创造经济收益,使保护工作获得更多支持。云南的梅里雪山、四川的九寨沟、广西的桂林山水等地,都在探索生态旅游与保护相结合的发展模式。
野生动植物资源的可持续利用需要建立在科学基础上。对于一些数量较多、可以适度利用的物种,应该制定合理的捕猎或采集限额,建立资源监测系统,确保利用不超过资源的再生能力。同时,发展人工养殖和栽培,减轻对野生资源的压力。许多药用植物已经实现了人工种植,既满足了需求,又保护了野生资源。
保护生物多样性需要全社会共同参与,每个人都应该从自己做起,养成爱护自然、保护野生动植物的良好习惯。
法律保护和国际合作
中国制定了《野生动物保护法》《森林法》《草原法》等一系列法律法规,为生物多样性保护提供法律保障。国家重点保护野生动物分为一级和二级,对不同级别的保护动物采取不同的保护措施。非法捕猎、交易珍稀野生动植物将受到法律制裁。
生物多样性保护是全球性问题,需要国际合作。中国是《生物多样性公约》的缔约国,积极参与全球生物多样性保护行动。2021年,《生物多样性公约》第十五次缔约方大会(COP15)在云南昆明举办,通过了"昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架",为未来十年的全球生物多样性保护指明方向。
国际合作还体现在濒危物种保护上。《濒危野生动植物种国际贸易公约》(CITES)限制和禁止某些濒危物种的国际贸易。大熊猫、朱鹮等的保护得益于国际合作,一些国家和国际组织为中国的保护工作提供了技术和资金支持。中国也将大熊猫等动物赠送或租借给其他国家,既促进了国际友好关系,也扩大了保护合作。
公众参与是生物多样性保护的重要力量。许多民间环保组织积极开展保护行动,监督破坏环境的行为,传播保护理念。学校教育中增加生物多样性保护内容,培养青少年的环保意识。公民科学项目邀请公众参与生物调查,不仅收集了大量数据,也提高了公众对生物多样性的认识。
本节练习
第一题 请解释生物多样性包含哪三个层次，它们之间有什么关系？
答案：生物多样性包含三个层次：1）遗传多样性：指同一物种内部基因的差异，是生物多样性的基础；2）物种多样性：指地球上生物种类的丰富程度，包括动物、植物、微生物等；3）生态系统多样性：指不同类型生态系统的多样化，如森林、草原、湿地等。三者关系：遗传多样性为物种的进化和适应提供基础；物种多样性丰富了生态系统的结构和功能；生态系统多样性为不同物种提供生存空间。三个层次相互依存，共同构成完整的生物多样性体系。
第二题 为什么说中国是世界上生物多样性最丰富的国家之一？请从地理环境角度分析原因。
答案：中国生物多样性丰富的原因：1）辽阔的国土：从南到北横跨热带、亚热带、温带和寒温带多个气候带；2）复杂的地形：从海平面到8000多米的高原，巨大的海拔落差造就多样的生态环境；3）特殊的地质历史：第四纪冰期时许多地区成为生物避难所，保存了大量古老物种；4）丰富的生态系统：包括热带雨林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、针叶林、草原、荒漠等；5）地理位置特殊：西南横断山区由于地形起伏剧烈，形成明显的植被垂直带谱。这些因素共同造就了中国丰富的生物多样性。
第三题 栖息地丧失为什么是导致生物多样性减少的首要原因？请举例说明。
答案：栖息地丧失是首要原因的理由：1）生存空间被破坏：野生动植物失去赖以生存的家园，无法获得食物、水源和繁殖场所；2）栖息地破碎化：大片栖息地被分割成小块，种群被隔离，基因交流受阻，增加灭绝风险；3）影响范围广：农业扩张、城市建设、道路修筑等都会导致栖息地丧失；4）难以恢复：一旦栖息地被破坏，生态系统恢复需要很长时间。举例：热带雨林面积急剧缩减导致大量物种失去栖息地；大熊猫栖息地的破碎化使种群之间难以交流；湿地的填占和开垦威胁水鸟等湿地生物的生存。
第四题 请比较就地保护和迁地保护各有什么优缺点，在什么情况下应该采用迁地保护？
答案：就地保护的优点：能够保护完整的生态系统，物种在自然环境中生存，维持自然进化过程，保护成本相对较低。缺点：受外界干扰影响大，保护区面积有限，难以覆盖所有物种。迁地保护的优点：可以集中保护极度濒危物种，便于人工繁育和科学研究，不受栖息地破坏影响。缺点：脱离自然环境，可能丧失部分适应能力，保护成本高，容易出现近亲繁殖问题。应采用迁地保护的情况：1）物种栖息地已严重破坏或消失；2）种群数量极少，在野外难以自然繁衍；3）需要进行人工繁育以增加种群数量；4）作为就地保护的补充和保险措施。
第五题 作为中学生，我们可以为保护生物多样性做哪些力所能及的事情？
答案：中学生可以做的事情：1）学习生物多样性知识，了解保护的重要性，提高环保意识；2）不购买野生动植物制品，拒绝食用珍稀野生动物，减少对野生资源的需求；3）参与植树造林、清理垃圾等环保活动，改善身边的生态环境；4）爱护身边的动植物，不随意捕捉野生动物，不践踏草地，不攀折花木；5）节约资源，减少浪费，降低对环境的影响，如节约用纸就是保护森林；6）向家人朋友宣传保护理念，带动更多人参与保护行动；7）参与公民科学项目，记录观察到的生物，为科学研究提供数据；8）监督和举报破坏生物多样性的行为。虽然个人力量有限，但众人拾柴火焰高，每个人的努力都会为保护生物多样性作出贡献。