中文書名：
從生態學透視生命系統的設計、運作與演化
—生態、遺傳和進化通過生殖的融合
謝平著
英文書名：
ScalingEcologytoUnderstandNaturalDesignofLifeSystemsandTheirOperationsandEvolutions
-IntegrationofEcology,GeneticsandEvolutionthroughReproduction
byXiePing
感興趣的讀者可到：http://wetland.ihb.cas.cn/lwycbw/qt/下載電子版（嚴正申明：僅供個人交流，禁止商用）
中文簡介
數以百萬記的物種生存於現在的地球上，他們呈現出大大小小、五顏六色甚至奇形怪狀的生命景色。生命如何在地球上得以誕生？如何從極其微小的細菌進化出體型巨大的藍鯨？有機體是如何進行（生態）設計的？為何有如此之多的物種出現在地球上？繁殖是生命區別於非生命物體的本質特徵，儘管生物的繁殖方式千差萬別，但可簡單地歸結為無性生殖和有性生殖。有性生殖存在於幾乎所有的動植物之中，為何有性生殖如此廣泛？
今天，生物學家對有性生殖的分子機制已經了解得相當清楚，但是為什麼生物的繁殖需要通過不同性別的細胞的融合來完成仍然是一大謎團。“性”之為什麼困擾包括達爾文在內的進化生物學家已經長達150多年。此外，顯花植物中單性花的比例很小（~10%），為何它們的生殖系統以雌雄同株占據絕對優勢？這看上去實在令人費解。自交真的會導致衰退嗎？
這些疑問正是本書進行探索的重點。作者致力於通過生殖來整合生態學、遺傳學和進化生物學的見解，探尋生命系統的自然設計、運作和演化的原理。為此，作者對迄今為止流行的或代表性的理論或假設進行了批判性的分析與審視，定義了兩個新的概念—r-生殖對策和K-生殖對策，提出了兩個新的理論—“性的生態學起源”和“性的生態遺傳學本質”。因此，本書並不僅是現有知識的綜合，更重要的是它還對傳統理論提出了顛覆性的挑戰，並進一步提出了新的概念和理論。
英文簡介
ScalingEcologytoUnderstandNaturalDesignofLifeSystems,TheirOperationsandEvolutions
-IntegrationofEcology,GeneticsandEvolutionthroughReproduction
Therearemillionsofspecieslivingtogetherontheearth,withagreatvarietyofsizes,shapesandcolors.Howdidlifeemergeandevolve?Howdidlifegrowinsizefromsmallbacteriatohugebluewhale?Howareorganismsdesignedecologically?Whyaretheresomanyspeciesontheearth?Reproductionisanessentialcharacteristicofalllivingcreatures,andthewaysoftheirreproductionscanbebroadlygroupedintoasexualandsexualreproductions.Sexualreproductionoccursinalmostallanimalsandplants.Whyissexsowidespread?
Today,biologistsunderstandthemolecularmechanismsofsexfairlywell.However,itisstillabigmysterywhynewbeingsshouldbeproducedbytheunionoftwosexualelements.“Thewhyofsex”hasbeenapuzzletoevolutionarybiologists,includingDarwin,formorethan150years.Atfirstglance,itseemsverypuzzlingwhysexsystemsoffloweringplantsareabsolutelydominatedbyhermaphrodite,asfewfloweringplants(~10%)haveunisexualflowers.Doesselfingreallycausedepression?
ThesequestionsarewhatItrytoexploreinthisbook.Myeffortsaretointegrateecology,geneticsandevolutionthroughreproduction,seekingforprinciplesunderlyingnaturaldesignoflifesystems,theiroperationsandevolutions.Forthisreason,Igiveahistoricalandcriticalreviewontheprevailinghypotheses.Mostimportantly,Idefinedtwoconcepts:r-andK-reproductivestrategies,andproposedtwonewtheories-“EcologicalOriginofSex”and“Eco-GeneticEssenceofSexuality”.Therefore,thisbooknotonlysynthesizesourcurrentunderstanding,butoffersasubversivechallengetotraditionaltheories,andpresentsnewconceptsandtheoriesaswell.
PINGXIE([email protected])iscurrentlydirectorandresearchprofessoroftheDonghuExperimentalStationofLakeEcosystem,InstituteofHydrobiology,theChineseEcologicalResearchNetworks,theChineseAcademyofSciences
目錄
前言
第一章尋根生態學—早期發展史與分化
一、生態學概念的起源與定義
1.生態學一詞的起源
2.生態學的定義
二、生態學早期的發展簡史
1.生態學的起源—從本能到科學
2.達爾文的進化論—馬爾薩斯的人口論學說在整個動植物界的套用
3.馬爾薩斯人口論的數學描述—邏輯斯蒂方程式
三、生態學早期的其它重要概念
1.生物圈
2.生物群落
3.生物地理學
4.生態位
5.食物鏈
6.生態系統
四、生態學的分枝
1．生態學的分類
2.為何有如此繁多的生態學分支出現？
五、結語
第二章從尺度透視生命的設計原理
一、生命的大小尺度特徵—極度的多樣化
1.生物界物種的多樣化
2.群內生物大小的多樣化
3.生物大分子大小的多樣化
二、進化的趨勢—通過多樣化和複雜化不斷擴展生命尺度
1.進化的趨勢—體型多樣化和複雜化
2.進化的趨勢—遺傳信息複雜化
3.進化的趨勢—體積趨於增大
4.脊椎動物的進化趨勢—腦趨向於增大
三、氣候對動植物體格的塑造
1.氣候對動物體格的影響—低溫促進動物體積的增加
2.氣候對植物體格的影響—極端低溫和乾旱限制樹木生長
四、群落複雜化促進生物體積分化
1.捕食與被捕食關係的進化促進動物體積分化
2.物種生態功能細化促進有機體體積分化
五、從生命的尺度看物種生物學特徵的設計
1.體長與世代時間
2.極限體長與生長速率
3.體重與攝食率
4.體重與代謝速率
六、從生命的尺度看物種生態學特徵的設計
1.體重與內稟增長率
2.體重與種群密度
3.體長與運動速度
4.體重與活動範圍
5.體積與物種多樣性
七、從生命的尺度看物種生態對策的設計
1.r和k對策—“廣種薄收”與“精耕細作”
2.r和K對策—非穩定性適應和穩定性適應
八、結語
第三章從模型透視生命系統的運作過程
一、酶促反應速率模型
1.酶驚人的催化能力使生化反應速率無可比擬
2.酶促反應速率的基本模型—米—曼方程
3.生化反應的高效和精確性造就了差異極大的米氏常數
二、有機體整體代謝速率模型
1.有機體整體代謝速率與質量的關係
2.有機體整體代謝速率與溫度的關係
3.身體質量和溫度對有機體整體代謝速率的聯合效應
4.關於代謝速率的若干概念
三、細胞的體積及增長
四、個體生長模型
1.常見的個體生長模型
2.主要生長模型的參數特徵比較
3.描述魚類生長的vonBertalanffy模型的生長速率K和極限體長l∞的比較
4.主要增長模型之間的數學轉換
五、單一種群的數量變動—始於無限，終於有限
1.種群增長模型—無限寓於有限之中
2.邏輯斯蒂增長—實驗種群的常見模式
3.指數增長—驚人的爆發vs驚人的崩潰
六、先天的出生，後天的死亡
1.存活率曲線—不同的死亡策略
2.人類的存活率曲線—趨向極限死亡的轉變
七、二個種群間的相互作用模型
1.經典的Lotka-Volterra方程—永無止境的周期性波動
2.兩個相互作用種群的周期性振盪案例
八、不同生命層次的運動—難覓統一的動態模式
1.酶促反應速率—即高效又專一，依賴於底物濃度
2.個體和種群的增長—從無限到有限，依賴於時間與自身質（數）量
九、結語
第四章從穩定性、可塑性和穩態轉化透視生態系統的行為
一、對穩定性的認識—從種群到生態系統
1.穩定性—涉及生態系統的各個層面
2.認識發展的幾個關鍵節點
二、種群和群落穩定性—概念與度量
1.什麼叫做“種群穩定性”和“群落穩定性”？
2.種群和群落穩定性的概念—動聽卻難以度量
三、系統穩定性—概念與度量
1.用簡單的系統詮釋複雜的系統穩定性
2.大膽的外延—提出從單個到多個平衡狀態的新的系統觀
3.系統穩定性的度量—一樣困難
4.穩定性景觀—形象地描繪多穩態系統
四、生態功能穩定性模型
1.物種多樣性模型
2.異質性模型
3.“鉚釘”模型
4.“駕駛員和乘客”模型
5.模型整合
五、生態可塑性—穩定不一定可塑，不穩定不一定不可塑
1.生態可塑性—一種新的多平衡態的系統觀
2.“五花八門”的生態可塑性定義
3.穩定性包含於“可塑性”之中
六、生態可塑性—只不過是個隱喻？
1.可塑性的概念性度量
2.可塑性的半定量
3.可塑性也會變化
七、生態系統的穩態轉化與時滯
1.生態系統對環境變化的回響—從漸變到突變
2.生態系統的穩態轉化—從實踐到理論
3.時滯—下降與回復的軌跡不同
4.減輕或避免時滯—現代生態系統管理策略的戰略轉變
八、結語
第五章植被的地理格局—植物群落的生態學設計原理
一、如何描述與分類自然界的植物集群？
1.常見的概念—植物群落、生活型、植被、群系和區系
2.空間尺度—多大才算一個植物群落？
3.主要植被類型—基於優勢植物生長型的劃分
4.主要植物群系—地帶性植被類型
二、植被的地理格局—全球氣候系統的產物
1．全球的氣候系統如何劃分？
2．氣候系統與地帶性植被的耦合
3．二個主要氣候因子—溫度和降雨對地帶性植被的塑造
4．局域環境因子的差異也能顯著改變植被類型
5.沿海拔高度出現山地植被類型的明顯更替
三、熱帶-亞熱帶地區森林植被的地理格局與影響因素
1.南北半球降雨與乾旱的時空格局
2.R-E指數（降雨量—蒸發量）顯著影響植被類型
3.年降雨量和乾旱期對森林類型的影響
4.降雨量對植物生活型的綜合影響
四、氣候—土壤—植被類型的耦合作用
1.降雨—養分耦合作用對熱帶植被類型的影響
2.氣候對植被和土壤地帶性格局的塑造
3.非地帶性植被
五、不同植物群系的生態功能及物種相對多度的比較
1.不同植物群系的生態功能
2.不同植物群系的物種相對多度的比較
六、歷史因素對植被類型的影響
七、結語
第六章植被演替—地質歷史變動軌跡中植物的歸宿性反應
一、植被的演替—來龍去脈
1．植被的變化與演替—耦合於不同的時空尺度之中
2.最經典演替理論—由美國植物學家Clements提出
3.演替類型—多種多樣的劃分方式
4.演替的行為—軌跡與終點
二、兩種基本的演替過程—原生演替和次生演替
1.原生演替—需要改造基質的緩慢過程
2.次生演替—擾動後較快的群落重建過程
3.演替—伴隨著一系列生態系統特徵的變化
4.次生演替的過程—接力植物區系假說和初始植物相組成假說
5.溫帶森林區棄耕地的演替—物種相對多度從直線轉變為S型
6.草地的持續施肥試驗—物種多樣性逐漸下降
三、不同時間尺度的氣候變動—不同間隔與強度的冷暖變化周期
1.100年以來的溫度變化—氣溫上升約0.7oC
2.距今100萬年以來—約10萬年周期的冷暖交替，變溫幅度3-5oC
3.距今數億年以來—約1億年周期的冷暖交替，變溫幅度接近20oC
四、不同時間尺度上的植被變化—不同的格局與驅動力
1.數百年以來的植被變化—主要受人類活動的驅動
2.末次冰盛期（約1.8萬年前）以來—植被優勢種接連更替
3.末次冰盛期（約1.8萬年前）以來—植被的空間格局變化顯著
4.始新世（約5000萬年前）以來—陸地植被格局變化巨大
五、演替的方向和軌跡—依賴於時空尺度
1.中短時間尺度的植被演替—趨於區域氣候頂級
2.長時間地史尺度的植被演替—難覓嚴格的周期性更替
六、結語
第七章生物多樣性地理格局—物種的生態學設計原理
一、物種—生命最基本的生存單元
1.物種的概念—依然難以統一定義
2.現存的物種—已描述170多萬種
3.物種的分化—受制於生存條件的隨機演化
二、物種多樣性地理格局—陸生植物
1.緯度效應—緯度越低，物種越豐富
2.溫度效應—溫度越高，物種越豐富
3.海拔效應—在高海拔地區，物種數急劇下降
4.降雨量效應—降雨量越大，物種越豐富
5.生產力效應—生產力越高，物種數越多
三、物種多樣性地理格局—陸生動物
1.緯度效應—從低緯到高緯，物種數逐漸降低
2.溫度效應—溫度越低，物種越貧瘠
3.海拔效應—在高海拔地區，物種數急劇下降
4.濕度效應—中等水分蒸發蒸騰量的地區，物種最為豐富
四、物種多樣性地理格局—水生動物
1.緯度效應—在高緯度地區，物種數急劇下降
2.溫度效應—隨著水溫的升高，物種多樣性逐漸增加
3.水深效應—進入深海區，物種數急劇下降
4.歷史的地理格局—依然是緯度越低，物種越豐富
五、物種多樣性—一般格局與成因
1.緯度、海拔高度和濕潤度—塑造了物種多樣性的基本格局
2.物種多樣性格局—生態、進化和歷史的產物
六、結語
第八章基因組的進化—物種的生態遺傳學設計原理
一、基因組進化—繼承與隨機的複雜化
1.不太有章法的DNA—C值悖論
2.基因的進化—從樸素簡潔到奢侈浪費？
3.基因的進化—繼承與發展
二、基因組大小—折射物種的生理生態對策
1.大的基因組—需要大的細胞來裝填
2.大的基因組—更費時間來完成細胞分裂
3.大的基因組—更費時間來完成生命周期
4.平均C-值—溫帶草本比熱帶草本大
三、基因變率—真核生物之間自發突變率相似，而誘發突變率完全不同
1.基因並不是一成不變的—既可以自發突變也可以誘發突變
2.自發突變率—病毒最高，其它類群卻驚人的相似
3.誘發突變—基因組越大，對輻射的耐性越差
四、基因組的歷史演化—從原核生物的集中創新到真核生物的重複擴展
1.“太古代大爆發”—為構建能量模式的集中式基因創造
2.基因組的功能演化—從生命的構建、到能量積蓄再到適應生物圈氧化
3.真核生物基因組的進化速率—指數增加
4.基因和物種的新陳代謝—完全不同的軌跡和模式
五、結語
第九章從存在到演化—生物生殖概觀
一、單細胞生物—無性統治的世界，偶爾通過有性來抵禦不良環境
1.原核生物細菌的生活史—只有無性生殖
2.真核生物酵母的生活史—出現產生子囊孢子的有性生殖
3.單細胞真核生物衣藻的生活史—出現產生厚壁孢子的有性生殖
二、高等植物—有性統治的世界，休眠體從孢子轉變到種子
1.矮小的苔蘚—受精卵開始在能起到保護作用的頸卵器中發育
2.植株明顯大型化的蕨類—依然依賴於微小的孢子進行擴散
3.脫離了水限制的種子植物—休眠與抗逆性大大提升
4.無性的營養繁殖—在許多高等植物中依然重要
5.高等植物生活史的演化—陸生化和大型化
三、動物的生殖方式—從無性統治到純有性的世界
1.各式各樣的無性生殖—多見於低等的無脊椎動物
2.有性生殖—從低等的結合生殖到高等的融合生殖
3.性別二態性—在低等動物中難以區分，在高等動物中可以極為誇張
4.雌雄同體—在動物中十分稀少，主要見於水生動物
四、從生殖看物種的多樣性分化—有花植物與傳粉昆蟲的協同進化
1.同為種子植物—為何顯花植物的物種數遠大於裸子植物？
2.協同進化—可能是顯花植物和傳粉昆蟲物種分化的重要推動力
五、結語
第十章“性的為什麼”—歷史之審讀
一、關於自然的“性”進化觀—歷史之回顧
1.變異—與“性”最糾結的一個簡單概念
2.達爾文與他的祖父—兩性生殖能獲得變異
3.魏斯曼—物種的變異通過染色體的重組來實現
4.費希爾—有性生殖既能利用有利突變又能去掉有害突變
5.梅納德史密斯—性付出雙倍代價
6.“真理式的”信念—兩性生殖優於單性生殖的假說多達20餘種
7.神秘的“性”—依舊神秘
二、關於“性”的為什麼—若干核心理論之審讀
1.真的只有有性生殖才能進行基因重組嗎？
2.無性生殖真的會被自然淘汰嗎？
3.無性生殖對環境變化的適應性真的很差嗎？
4.“性”真的是對寄生蟲的一種強大防禦手段嗎？
5.真的是性感讓我們失去了無性嗎？
6.“性”真的要付出雙倍代價嗎？
三、令人疑惑的植物交配系統—自交真的會衰退嗎？
1.顯花植物的性別系統—雌雄同花占據絕對優勢
2.傳粉方式進化的結果—蟲媒比風媒植物的自交率還高
3.生活型決定自交率—一年生植物的自交率遠高於多年生木本植物
4.廣泛的閉花受精—自交的極端發展
5.事實與想像的對決—自交真的導致衰退嗎？
6.從孟德爾的遺傳定律—透視繁育系統對遺傳結構影響的本質
四、有絲分裂與減數分裂—不同生殖方式的操作平台
1.真核生物的無性與有性生殖—由細胞的有絲分裂與減數分裂來實現
2.減數分裂—在有絲分裂中添加了同源染色體的聯會與交換
3.有絲分裂雖然“忠實”—姐妹染色體之間也出現遺傳物質的交換
4.為何有性生殖如此普遍—玄機可能藏匿於同源染色體的交換之中
5.對自交或近交的再思考—誇大的衰退效應
五、結語
第十一章環境決定生殖方式—生態的“性”演化理論
一、“性”的細胞遺傳學起源—關於過程的假說
1.共生起源學說
2.細胞分裂誤記說
3.DNA糾錯說
二、已有的關於“性”與生態的思想—停留在現象或表象之中
1.“性”的變異與適應學說
2.“性”的應急學說
3.“性”的擴散學說
4.“性”與生態現象聯動的描述
三、抵禦不良環境的休眠—動植物不同的演化路線
1.單細胞生物形成休眠體的方式—從無性過渡到有性
2.植物休眠體的演化路線—從厚壁孢子到堅硬的種子
3.動物休眠體的演化路線—從胞囊到卵生再到胎生
4.對種子和胎生起源的不同看法—源於克服多細胞生物的缺陷
四、生態的“性”演化—與結構、功能和生境的統一
1.三大生態功能類群—棲息於水體和陸地兩大生境
2.分解者—無性的顯微世界
3.生產者—無性統治水體、有性統治陸地
4.消費者—有性生殖幾乎一統天下
五、生態的“性”演化—既為了生殖，更為了生存
1.“性”的代價—質與量的對立與統一
2.生殖器官的配置模式—折射出高等動植物不同的“性”演化方向
3.“性”的目的—真的是為了製造遺傳差異嗎？
六、生態的“性”演化—“性”源於與服務於生存
1.“性”的生態起源—製造、固化與強化休眠以抵禦不良環境
2.“性”的生殖對策—交織於生態對策之中
3.有性生殖的生態遺傳本質—適應性蘊藏於群體的基因庫之中
4.自然選擇的單位—種群整體利益約束下的個體（或群體）選擇
5.高等植物的混合交配—生態遺傳的傑作
6.有性生殖之所以如此廣泛—因其迎合了動植物對生存環境適應的需求
七、結語
第十二章地球環境演化—生命系統的革新與躍升
一、早期地球環境的演化—地獄之後的新生
1.地球的誕生—可追溯自45.5億年前
2.冥古代的大氣圈和水圈—脫胎自生命的地獄
3.原始海洋—地球生命的搖籃
二、由板塊構成的陸地—重組與漂移
1.大陸漂移學說—形態拼接與古生物學證據
2.寒武紀以來的陸塊變遷—崩析與漂移
三、生命對大氣環境的塑造—從厭氧到好氧
1.地球上最古老的生命—誕生於距今38億年前
2.放氧光合作用—緩慢地對大氣圈進行氧化
3.條帶狀含鐵建造—地球生物氧化的岩石證據
四、地球環境氧化—生命系統進化的助推劑
1.大氣氧含量上升與物種快速分化—絕非偶然的同步
2.平流層出現臭氧層—生命登入成為可能
3.大氣氧化對生命的反塑造—促進有機體複雜化與代謝變化
4.有氧呼吸—進一步促進了食物網的複雜化
五、生命系統的躍升—進化史上的關鍵革新
1.能量利用方式—從化能到光能、從不產氧到產氧
2.細胞結構—從原核到真核細胞
3.細胞聯繫—從單細胞到多細胞生物
4.繁殖方式—從無性到有性生殖
5.物種間相互關係—從生產者到初級消費者、再到獵食者
6.物種間的互惠關係—顯花植物與傳粉動物的協同進化
六、結語
第十三章永恆的生命旋律—創造、進化與毀滅
一、生命的進化—進化論歷史之審讀
1.拉馬克進化論的核心—用進廢退，獲得性遺傳
2.達爾文進化論的核心—隨機變異，生存競爭，自然選擇
3.獲得性遺傳—拉馬克進化論的核心真的被徹底否定了嗎？
4.坐什麼樣的井觀什麼樣的天—五花八門的進化觀
5.漸變與躍變的銜接—關鍵革新與進化輻射
6.生命進化的方向性—在定向與隨機中搖擺
二、生命的微觀創造—擅長用簡單拼裝複雜
1.複雜表象與簡單本質
2.元素的拼裝
3.生物大分子的拼裝
4.基因的拼裝
5.細胞的拼裝
6.個體的拼裝
7.物種的拼裝
三、生命的巨觀演化—地球上物種的吐故納新
1.物種的自然壽命—一般100-2000萬年
2.成種的時間—一般10萬～500萬年
3.維管束植物的演化與更替—從蕨類到裸子植物再到被子植物
4.動物群的演化與更替—大爆發與大滅絕
四、創造與毀滅—軌跡不同的輪迴
1.地球環境—永恆變化但不可預測
2.物種更替—休克式的毀滅
3.適應悖論—複雜的毀滅
4.生命的演進—不喜歡簡單重複
五、結語
參考文獻
