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第一章 寻根生态学——早期发展史与分化1

一、生态学概念的起源与定义1

1.生态学一词的起源2

2.生态学的定义2

二、生态学早期的发展简史6

1.生态学的起源——从本能到科学6

2.达尔文的进化论——马尔萨斯人口论学说在整个动植物界的应用9

3.马尔萨斯人口论的数学描述——逻辑斯蒂方程式11

三、生态学早期的其他重要概念14

1.生物圈14

2.生物群落14

3.生物地理学15

4.生态位15

5.食物链16

6.生态系统16

四、生态学的分支17

1.生态学的分类17

2.为何有如此繁多的生态学分支出现？21

五、结语22

第二章 从尺度透视生命的设计原理23

一、生命的大小尺度特征——极度的多样化23

1.生物界物种大小的多样化24

2.群内生物大小的多样化25

3.生物大分子大小的多样化26

二、进化的趋势——通过多样化和复杂化不断扩展生命尺度28

1.进化的趋势——体型多样化和复杂化28

2.进化的趋势——遗传信息复杂化30

3.进化的趋势——体积趋于增大30

4.脊椎动物的进化趋势——脑趋向于增大33

三、气候对动植物体格的塑造33

1.气候对动物体格的影响——低温促进动物体积的增加33

2.气候对植物体格的影响——极端低温和干旱限制树木生长35

四、群落复杂化促进生物体积分化37

1.捕食与被捕食关系的进化促进动物体积分化37

2.物种生态功能细化促进有机体体积分化40

五、从生命的尺度看物种生物学特征的设计40

1.体长与世代时间40

2.极限体长与生长速率44

3.体重与摄食率44

4.体重与代谢速率45

六、从生命的尺度看物种生态学特征的设计47

1.体重与内禀增长率47

2.体重与种群密度48

3.体重与运动速率50

4.体重与活动范围51

5.体积与物种多样性51

七、从生命的尺度看物种生态对策的设计54

1.r-和K-对策——“广种薄收”与“精耕细作”54

2.r-和K-对策——非稳定性适应和稳定性适应56

八、结语56

第三章 从模型透视生命系统的运作过程57

一、酶促反应速率模型58

1.酶惊人的催化能力使生化反应速率无可比拟58

2.酶促反应速率的基本模型——米-曼方程58

3.生化反应的高效和精确性造就了差异极大的米氏常数59

二、有机体整体代谢速率模型61

1.有机体整体代谢速率与质量的关系61

2.有机体整体代谢速率与温度的关系61

3.身体质量和温度对有机体整体代谢速率的联合效应62

4.关于代谢速率的若干概念62

三、细胞的体积及增长64

四、个体生长模型65

1.常见的个体生长模型65

2.主要生长模型的参数特征比较66

3.描述鱼类生长的von Bertalanffy模型的生长速率K和极限体长l∞的比较68

4.主要生长模型之间的数学转换69

五、单一种群的数量变动——始于无限，终于有限71

1.种群增长模型——无限寓于有限之中71

2.逻辑斯蒂增长——实验种群的常见模式72

3.指数增长——惊人的暴发vS惊人的崩溃73

六、先天的出生，后天的死亡76

1.存活率曲线——不同的死亡策略76

2.人类的存活率曲线——趋向极限死亡的转变76

七、两个种群间的相互作用模型78

1.经典的Lotka-Volterra方程——永无止境的周期性波动79

2.两个相互作用种群的周期性振荡案例80

八、不同生命层次的运动——难觅统一的动态模式82

1.酶促反应速率——既高效又专一，依赖于底物浓度82

2.个体和种群的增长——从无限到有限，依赖于时间与自身质（数）量82

九、结语82

第四章 从稳定性、可塑性和稳态转化透视生态系统的行为84

一、对稳定性的认识——从种群到生态系统85

1.稳定性——涉及生态系统的各个层面85

2.认识发展的几个关键节点85

二、种群和群落稳定性——概念与度量86

1.什么是“种群稳定性”和“群落稳定性”86

2.种群和群落稳定性的概念——动听却难以度量86

三、系统稳定性——概念与度量87

1.用简单的系统诠释复杂的系统稳定性87

2.大胆的外延——提出从单个到多个平衡状态的新的系统观90

3.系统稳定性的度量——一样困难91

4.稳定性景观——形象地描绘多稳态系统91

四、生态功能稳定性模型93

1.物种多样性模型94

2.异质性模型94

3.“铆钉”模型95

4.“驾驶员和乘客”模型96

5.模型整合96

五、生态可塑性——稳定不一定可塑，不稳定不一定不可塑98

1.生态可塑性——一种新的多平衡态的系统观98

2.“五花八门”的生态可塑性定义98

3.稳定性包含于“可塑性”之中100

六、生态可塑性——只不过是个隐喻吗？101

1.可塑性的概念性度量101

2.可塑性的半定量102

3.可塑性也会变化104

七、生态系统的稳态转化与时滞104

1.生态系统对环境变化的响应——从渐变到突变106

2.生态系统的稳态转化——从实践到理论106

3.时滞——下降与回复的轨迹不同111

4.减轻或避免时滞——现代生态系统管理策略的战略转变114

八、结语115

第五章 植被的地理格局——植物群落的生态学设计原理116

一、如何描述与分类自然界的植物集群117

1.常见的概念117

2.空间尺度——多大才算一个植物群落？118

3.主要植被类型——基于优势植物生长型的划分120

4.主要植物群系——地带性植被类型121

二、植被的地理格局——全球气候系统的产物121

1.全球的气候系统如何划分？122

2.气候系统与地带性植被的耦合123

3.两个主要气候因子——温度和降水对地带性植被的塑造123

4.局域环境因子的差异也能显著改变植被类型126

5.沿海拔出现山地植被类型的明显更替127

三、热带-亚热带地区森林植被的地理格局与影响因素129

1.南北半球降水与干旱的时空格局130

2.R-E指数（降水量-蒸发量）显著影响植被类型131

3.年降水量和干旱期对森林类型的影响132

4.降水量对植物生活类型的综合影响133

四、气候-土壤-植被类型的耦合作用133

1.降水-养分耦合作用对热带植被类型的影响134

2.气候对植被和土壤地带性格局的塑造134

3.非地带性植被135

五、不同植物群系的生态功能及物种相对多度的比较136

1.不同植物群系的生态功能136

2.不同植物群系物种相对多度的比较136

六、历史因素对植被类型的影响137

七、结语138

第六章 植被演替——地质历史变动轨迹中植物的归宿性反应139

一、植被的演替——来龙去脉139

1.植被的变化与演替——耦合于不同的时空尺度之中139

2.最经典的演替理论——由美国植物学家Clements提出140

3.演替类型——多种多样的划分方式141

4.演替的行为——轨迹与终点144

二、两种基本的演替过程——原生演替和次生演替146

1.原生演替——需要改造基质的缓慢过程146

2.次生演替——扰动后较快的群落重建过程146

3.演替——伴随着一系列生态系统特征的变化150

4.次生演替的过程——接力植物区系假说和初始植物相组成假说151

5.温带森林区弃耕地的演替——物种相对多度从直线转变为S 曲线152

6.草地的持续施肥试验——物种多样性逐渐下降154

三、不同时间尺度的气候变动——不同间隔与强度的冷暖变化周期156

1.100年来的温度变化——气温上升约0.7℃156

2.距今100万年以来——约10万年周期的冷暖交替，变温3～5℃156

3.距今数亿年以来——约1亿年周期的冷暖交替，变温幅度接近20℃159

四、不同时间尺度上的植被变化——不同的格局与驱动力160

1.数百年以来的植被变化——主要受人类活动的驱动160

2.末次冰盛期（约1.8万年前）以来——植被优势种接连更替162

3.末次冰盛期（约1.8万年前）以来——植被的空间格局变化显著167

4.始新世（约5000万年前）以来——陆地植被格局变化巨大169

五、演替的方向和轨迹——依赖于时空尺度172

1.中短时间尺度的植被演替——趋于区域气候顶级172

2.长时间地史尺度的植被演替——难觅严格的周期性更替172

六、结语172

第七章 生物多样性地理格局——物种的生态学设计原理174

一、物种——生命最基本的生存单元174

1.物种的概念——依然难以统一定义174

2.现存的物种——已描述170多万种175

3.物种的分化——受制于生存条件的随机演化176

二、物种多样性地理格局——陆生植物177

1.纬度效应——纬度越低，物种越丰富177

2.温度效应——温度越高，物种越丰富179

3.海拔效应——在高海拔地区，物种数急剧下降179

4.降水量效应——降水量越大，物种越丰富181

5.生产力效应——生产力越高，物种数越多181

三、物种多样性地理格局——陆生动物183

1.纬度效应——从低纬度到高纬度，物种数逐渐降低183

2.温度效应——温度越低，物种越贫瘠185

3.海拔效应——在高海拔地区，物种数急剧下降187

4.湿度效应——中等水分蒸发蒸腾量的地区，物种最为丰富188

四、物种多样性地理格局——水生动物189

1.纬度效应——在高纬度地区，物种数急剧下降189

2.温度效应——随着水温的升高，物种多样性逐渐增加189

3.水深效应——进入深海区，物种数急剧下降190

4.历史的地理格局——纬度越低，物种越丰富192

五、物种多样性——一般格局与成因193

1.纬度、海拔和湿润度——塑造了物种多样性的基本格局193

2.物种多样性格局——生态、进化和历史的产物193

六、结语195

第八章 基因组的进化——物种的生态遗传学设计原理196

一、基因组大小——继承与随机的复杂化196

1.不太有章法的DNA —C值悖论196

2.基因的进化——从朴素简洁到奢侈浪费？197

3.基因的进化——继承与发展199

二、基因组大小——折射物种的生理生态对策202

1.大的基因组——需要大的细胞来装填202

2.大的基因组——更费时间来完成细胞分裂204

3.大的基因组——更费时间来完成生命周期204

4.平均C值——温带草本比热带草本大205

三、基因变率——真核生物之间自发突变率相似，而诱发突变率完全不同207

1.基因并不是一成不变的——既可以自发突变也可以诱发突变207

2.自发突变率——病毒最高，其他类群却惊人地相似207

3.诱发突变——基因组越大，对辐射的耐性越差210

四、基因组的历史演化——从原核生物的集中创造到真核生物的重复扩展211

1.“太古代大爆发”——为构建能量模式的集中式基因创造212

2.基因组的功能演化——从生命的构建到能量积蓄再到适应生物圈氧化212

3.真核生物基因组的进化速率——指数增加215

4.基因和物种的新陈代谢——完全不同的轨迹和模式216

五、结语218

第九章 从存在到演化——生物生殖概观219

一、单细胞生物——无性统治的世界，偶尔通过有性来抵御不良环境219

1.原核生物细菌的生活史——只有无性生殖219

2.真核生物酵母的生活史——出现产生子囊孢子的有性生殖221

3.单细胞真核生物衣藻的生活史——出现产生厚壁孢子的有性生殖222

二、高等植物——有性统治的世界，休眠体从孢子转变到种子224

1.矮小的苔藓——受精卵开始在能起到保护作用的颈卵器中发育225

2.植株明显大型化的蕨类——依然依赖于微小的孢子进行扩散226

3.脱离了水限制的种子植物—休眠与抗逆性大大提升227

4.无性的营养繁殖——在许多高等植物中依然重要228

5.高等植物生活史的演化——陆生化与大型化229

三、动物生殖方式的演化——从无性统治到纯有性的世界232

1.各种各样的无性生殖——多见于低等的无脊椎动物232

2.有性生殖——从低等的接合生殖到高等的融合生殖234

3.性别二态性——在低等动物中难以区分，在高等动物中可以极为夸张236

4.雌雄同体——在动物中十分稀少，主要见于水生动物237

四、从生殖看物种的多样性分化——有花植物与传粉昆虫的协同进化239

1.同为种子植物——为何显花植物的物种数远大于裸子植物？239

2.协同进化—可能是显花植物和传粉昆虫物种分化的重要推动力239

五、结语240

第十章“性的为什么”——历史之审读241

一、关于自然的“性”进化观——历史之回顾241

1.变异——与“性”最纠结的一个简单概念242

2.达尔文与他的祖父——两性生殖能获得变异243

3.魏斯曼——物种的变异通过染色体的重组来实现244

4.费希尔——有性生殖既能利用有利突变又能去掉有害突变244

5.梅纳德史密斯——性付出双倍代价245

6.“真理式”的信念——两性生殖优于单性生殖的假说多达20余种246

7.神秘的“性”——依旧神秘247

二、关于“性的为什么”——若干核心理论之审读247

1.真的只有有性生殖才能进行重组基因吗？248

2.无性生殖真的会被自然淘汰吗？249

3.无性生殖对环境变化的适应性真的很差吗？252

4.“性”真的是对寄生虫的一种强大防御手段吗？253

5.真的是性感让我们失去了无性吗？254

6.性真的要付出双倍代价吗？256

三、令人疑惑的植物交配系统——自交真的会衰退吗？257

1.显花植物的性别系统——雌雄同花占据绝对优势257

2.传粉方式进化的结果——虫媒比风媒植物的自交率还高258

3.生活型决定自交率——一年生植物的自交率远高于多年生木本植物260

4.广泛的闭花受精——自交的极端发展262

5.事实与想象的对决——自交真的导致衰退吗？262

6.从孟德尔的遗传定律——透视繁育系统对遗传结构影响的本质264

四、有丝分裂与减数分裂——不同生殖方式的操作平台267

1.真核生物的无性生殖与有性生殖——由细胞的有丝分裂与减数分裂来实现267

2.减数分裂——在有丝分裂中添加了同源染色体的联会与交换268

3.有丝分裂虽然“忠实”——姐妹染色单体之间也出现遗传物质的交换270

4.为何有性生殖如此普遍——玄机可能藏匿于同源染色体的交换之中271

5.对自交或近交的再思考——夸大的衰退效应272

五、结语273

第十一章 环境决定生殖方式——生态的“性”演化理论274

一、“性”的细胞遗传学起源——关于过程的假说275

1.共生起源学说275

2.细胞分裂误记说275

3.DNA纠错说276

二、已有的关于“性”与生态的思想——停留在现象或表象之中276

1.“性”的变异与适应学说276

2.“性”的应急学说277

3.“性”的扩散学说277

4.“性”与生态现象联动的描述278

三、抵御不良环境的休眠——动植物不同的演化路线278

1.单细胞生物形成休眠体的方式——从无性过渡到有性278

2.植物休眠体的演化路线——从厚壁孢子到孢子再到坚硬的种子279

3.动物休眠体的演化路线——从胞囊到卵生再到胎生281

4.对种子和胎生起源的不同看法——源于克服多细胞生物的缺陷吗？283

四、生态的“性”演化——与结构、功能和生境的统一284

1.三大生态功能类群——栖息于水体和陆地两大生境284

2.分解者——无性统治着的显微世界285

3.生产者——无性统治水体、有性统治陆地286

4.消费者——有性生殖几乎一统天下290

五、生态的“性”演化——既为了生殖，更为了生存292

1.“性”的代价——质与量的对立与统一292

2.生殖器官的配置模式——折射出高等动植物不同的“性”演化方向292

3.“性”的目的——真的是为了制造遗传差异吗？293

六、生态的“性”演化——“性”源于并服务于生存295

1.“性”的生态起源——制造、固化与强化休眠以抵御不良环境295

2.“性”的生殖对策——交织于生态对策之中296

3.有性生殖的生态遗传本质——适应性蕴藏于群体的基因库中297

4.自然选择的单位——种群整体利益约束下的个体（或群体）选择301

5.高等植物的混合交配——生态遗传的杰作303

6.有性生殖之所以广泛扩散——因其迎合了动植物对生存环境适应的需求304

七、结语305

第十二章 地球环境演化——生命系统的革新与跃升306

一、早期地球环境的演化——地狱之后的新生306

1.地球的诞生——可追溯自45.5亿年前306

2.冥古代的大气圈和水圈——脱胎自生命的地狱307

3.原始海洋——地球生命的摇篮308

二、由板块构成的陆地——重组与漂移309

1.大陆漂移学说——形态拼接与古生物学证据309

2.寒武纪以来的陆块变迁——崩析与漂移309

三、生命对大气环境的塑造——从厌氧到好氧311

1.地球上最古老的生命——诞生于距今38亿年前312

2.放氧光合作用——缓慢地对大气圈进行氧化313

3.条带状含铁建造——地球生物氧化的岩石证据315

四、地球环境氧化——生命系统进化的助推剂317

1.大气氧浓度上升与物种快速分化——绝非偶然的同步317

2.平流层出现臭氧层——生命登陆成为可能318

3.大气氧化对生命的反塑造——促进有机体复杂化与代谢变化319

4.有氧呼吸——进一步促进了食物网的复杂化319

五、生命系统的跃升——进化史上的关键革新321

1.能量利用方式——从化能到光能、从不产氧到产氧321

2.细胞结构——从原核到真核细胞322

3.细胞间联系——从单细胞到多细胞生物323

4.繁殖方式——从无性到有性生殖324

5.物种间相互关系——从生产者到初级消费者、再到猎食者325

6.物种间的互惠关系——显花植物与传粉动物的协同进化326

六、结语326

第十三章 永恒的生命旋律——创造、进化与毁灭327

一、生命的进化——进化论历史之审读327

1.拉马克进化论的核心——用进废退，获得性遗传327

2.达尔文进化论的核心——随机变异，生存竞争，自然选择328

3.获得性遗传——拉马克进化论的核心真的被彻底否定了吗？329

4.坐什么样的井观什么样的天——五花八门的进化观330

5.渐变与跃变的衔接——关键革新与进化辐射333

6.生命进化的方向性——在定向与随机中摇摆334

二、生命的微观创造——擅长用简单拼装复杂335

1.复杂表象与简单本质335

2.元素的拼装336

3.生物大分子的拼装336

4.基因的拼装336

5.细胞的拼装337

6.个体的拼装337

7.物种的拼装337

三、生命的宏观演化——地球上物种的吐故纳新338

1.物种的自然寿命——一般100万～2000万年339

2.成种的时间——一般10万～500万年341

3.维管束植物的演化与更替—从蕨类植物到裸子植物再到被子植物342

4.动物群的演化与更替——大爆发与大灭绝342

四、创造与毁灭——轨迹不同的轮回345

1.地球环境——永恒变化但不可预测345

2.物种更替——休克式的毁灭346

3.适应悖论——复杂的毁灭346

4.生命的演进——不喜欢简单重复348

五、结语350

主要参考文献351

章节英文概要372

后记393