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李德銖:人類紀時代,生物多樣性遭遇危機時刻

 kibcat 2021-11-10
*以下根據(jù)李德銖于2021年1月15日在云南·撫仙湖站的部分課程內容整理而成,經老師審核后公開發(fā)布。

全文字數(shù)丨4360字

閱讀時間丨9分鐘(高效速讀,可選1分鐘精華版)

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授課老師:李德銖,中國西南野生生物種質資源庫主任,中國科學院昆明分院前任院長

注:全文共2篇,本文為第1篇


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生命的起源是一件極為偶然、不容易的事。

最初誕生的生命是原核生物。在生命誕生后的頭10億年,地球還是一片沉寂。約25億年前,大氣氧的濃度才達到了目前水平的七八成;再過差不多10億年,真核生物出現(xiàn)了。直到5.4億年前,迎來了寒武紀大爆發(fā),才產生了更多復雜生命。

在這當中,作為生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產者,植物為食物網(wǎng)提供食物、能量和棲息地,如水稻、獼猴桃、大豆等各種各樣不同的物種為我們提供了豐富的基因多樣性,對經濟產業(yè)扮演著重要角色。另外,植物還帶來了改變世界的分子,如阿司匹林、奎寧、青蒿、環(huán)孢菌素、他汀類等等。與此同時,植物對地球環(huán)境的維持與演化也發(fā)揮著至關重要的作用。

總的來說,生物資源是大自然母親饋贈給我們最珍貴的禮物。然而,自人類紀開始后,地球資源發(fā)生了各種各樣的變化。

1951年,人們在土壤中發(fā)現(xiàn)核武器試驗產生的钚,有人認為這可以作為人類紀的開端。近20年來,在地球最深的海溝發(fā)現(xiàn)塑料、微塑料,并進入到了食物鏈。盡管人類出現(xiàn)的時間很短,但工業(yè)革命以來,人類的發(fā)展,已經深刻影響了地球的演化,以及我們自身的未來。

從1970至2006年,全球野生脊椎動物的物種種群數(shù)量平均減少了31%,熱帶地區(qū)和淡水生態(tài)系統(tǒng)的情況尤其嚴重,分別減少了59%和41%。

地球歷史上的第六次生物大滅絕是不是已經來臨?生態(tài)興則文明興、生態(tài)衰則文明衰,共建地球生命共同體,是當下刻不容緩的課題。



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我們平時說高山流水、高山仰止,我相信高山書院是一個兼容并包的機構??茖W知識是一本永遠開放的書,這堂課提到的知識點及時間點僅僅是從我所認知與掌握的科學文獻中提取的,希望大家對我進行不同視角的批評。批判性思維是中國當下的教育特別欠缺,又極其需要的一件事。

生命的起源

我們常常會問一個哲學問題——人從哪里來,又將往哪去?

目前我們大概知道的是:

137億年前,宇宙誕生。

46億年前,太陽系開始形成,地球、月球的形成也緊跟其后。

39億年前,地球表面固化。

不久后,第一個生命就誕生了。

根據(jù)1997年澳洲國立大學所發(fā)現(xiàn)的最古老的有機沉積物,經同位素分析后發(fā)現(xiàn),時間大約在38.5億年前。

在1950年代,生命被認為只有6億年的歷史;到了1970,開始有人提出生命早發(fā)生在25億年前;到1997年,新發(fā)現(xiàn)又把時間推前到了38.5億年前。

可以看到,我們對生命起源的了解非常有限,總在一步一個腳印地推翻已有結論,拓展新認知。

那么,生命是怎么從無到有的?這也是科學家一直在探索的終極問題之一。

“1953年,芝加哥大學的研究生斯坦利·米勒拿起兩個長頸瓶——一個盛著一點水,代表遠古的海洋,一個裝著甲烷、氨和硫化氫的氣體混合物,代表地球早期的大氣——然后用橡皮管子把兩個瓶子一連,放了幾次電火花算做閃電。幾個星期以后,瓶子里的水呈黃綠色,變成了營養(yǎng)豐富的汁,里面有氨基酸、脂肪酸、糖以及別的有機化合物?!痹凇度f物簡史中》,比爾·布萊森這么寫道。

第一次了解這個實驗的時候,我深受鼓舞。但實際上,早期的地球大氣并不像米勒和導師所展示的那么簡單,并沒有為生命做好準備。后來人們重復這些實驗,只能夠制造出非常原始的氨基酸,至于從氨基酸到蛋白質,到目前為止還沒成功——如果成功了,很可能就是一個諾貝爾獎。

換句話說,從1953年至今,即便科學已經發(fā)生了巨變,但我們距離生命起源的秘密還是非常遙遠。但可以確定的是,生命的起源是一件極為偶然、不容易的事。

最初誕生的生命是原核生物,沒有以核膜為界的細胞核,所以生命物質分散在細胞膜中,主要包括細菌及古菌。

在生命誕生后的頭10億年,地球還是一片沉寂,但某一刻,藻青菌或藍綠藻(又稱藍細菌)學會了利用身邊的資源,吸收水分子,吃掉氫、排出氧,出現(xiàn)了最早的光合作用;接著再將最簡單的二氧化碳變成了更復雜的葡萄糖、蔗糖等碳水化合物,地球出現(xiàn)了綠意和生機。

接著經過2億年左右,約25億年前,大氣氧的濃度才達到了目前水平的七八成(地球最早的40%歷史都被毒氣籠罩);缺乏氧氣,只有厭氧生物活得下來。所以光合作用無疑是地球生命史上最重要的新陳代謝,沒有它,更“高級”的生命就不復存在。

再過差不多10億年的時間,真核生物出現(xiàn)了。真核生物的起源,發(fā)生自內共生事件。

第一場內共生事件,是一個進行能量代謝的細胞被另一個細胞捕獲,成了今天動植物都有的線粒體,也是我們的共同祖先。

另一場類似的事件,則發(fā)生在一個能夠合成葉綠素、進行光合作用的細胞,因為被俘而演變成了葉綠體。這兩次捕獲事件,也成就了植物的起源。

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現(xiàn)在已知的最古老真核生物,是出現(xiàn)在19億年前的卷曲藻,1992年在密西根州的鐵沉積物中發(fā)現(xiàn)。不過在真核生物出現(xiàn)以后,地球仍然是小生物的世界。

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唯有到了5.4億年前,大氣氧氣含量發(fā)展成接近今天的水平,才迎來了寒武紀大爆發(fā),迎來了更多復雜生命,比如紅藻和三葉蟲。其中,三葉蟲統(tǒng)治了地球3億年,比恐龍的統(tǒng)治歷史還要長了一倍。

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這是一個簡化的生命樹。通過家譜構建,我們知道植物、菌物跟動物包括人類,都是多細胞的真核生物,共有同一個祖先;其中,植物率先分支出來。

生物多樣性的功臣:植物

植物是一種非常奇妙的生命形式。

最長壽的樹壽命有近5000歲,見證了人類文明一路走來的歷史,比以長壽著稱的烏龜長多了。最高大的樹,即美國加州紅杉國家公園的雪曼將軍樹,樹高超過100米,而我們西雙版納熱帶雨林中的望天樹也將近80米,其他生物像長頸鹿哪怕再高,也不到6米。

植物作為生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產者,為食物網(wǎng)提供食物、能量和棲息地。其時空分布和多樣性在不同的地質時期受到全球環(huán)境變化的深刻影響,同時又對地球環(huán)境的維持與演化發(fā)揮著至關重要的作用。

植物在陸表上的表現(xiàn)形式是植被(植物群落),但其內核,是具有不同演化歷史和生態(tài)學適應策略的植物多樣性。

為什么講生物多樣性?因為單說植被,橡膠林和熱帶雨林一樣都是植被,但它們卻是迥然不同的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

熱帶雨林是由多樣、多層的植物組成,在生態(tài)系統(tǒng)中除了產生水果、蔬菜,同時涵養(yǎng)水源,更提供氧氣。植被的物種組成和分布,直接影響到生態(tài)系統(tǒng)的其它功能群,從而導致生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化。

同時,一個物種、一個基因可以帶動一方經濟,甚至拯救一個產業(yè)。

水稻

南方人天天吃的米飯來自于水稻。在河姆渡遺址里找到的炭化的水稻顆粒,證明我們的祖先大概在7000-8000年前已經在馴化水稻。水稻是從野生稻馴化而來。

野生稻不用澆水、施肥、打農藥,抗蟲抗病抗寒的能力強,不過成熟一顆掉一顆。對植物而言,這固然很好,實際上是使后代維持了更多的生存機會,但如果能改變其中的基因,讓全部的谷粒同時成熟而不馬上脫落,則對農民更有利。袁隆平院士在育成雜交水稻的時候,就使用了海南的一種野生稻雄性不育系做親本。

獼猴桃

獼猴桃有個洋名,叫奇異果。之所以叫奇異果,是因為新西蘭的國鳥叫kiwi,把獼猴桃叫成kiwi fruit特別能代表新西蘭產業(yè)。但實際上,獼猴桃的物種源自于中國,或者說東亞(個別種能分布到日本)。

所以獼猴桃是典型的出口轉內銷商品,新西蘭利用中國原產的中華獼猴桃,培育出了今天主導國際獼猴桃市場的巨大企業(yè)。

大豆

過去中國是個農業(yè)國家,只有過年過節(jié)才能吃肉,平時的蛋白質來源就靠植物性蛋白,尤其大豆制成的豆腐。

今天,美國中西部遍地都是大豆。過去美國大豆一度受到疾病的威脅,而大豆跟水稻一樣,在自然界中存在一些抗性基因利于抗蟲抗病。美國大豆品種也借著和中國野生大豆進行品種選育,找到了產業(yè)的出路。

所以我們可以看到,野生種質資源為我們提供了豐富的基因多樣性,對經濟產業(yè)扮演著重要角色。除此之外,植物還帶來了改變世界的分子。

阿司匹林

我們平時頭疼或感冒的時候,吃顆阿司匹林癥狀就能有所緩解;后來,我們發(fā)現(xiàn)它對高血脂也具備治療功效。阿司匹林其實是從柳樹樹皮提煉出的一種常見水楊酸,1897年首次由Hoffmann制備成功。不過阿司匹林的酸性很強,最好是飯后吃。

奎寧

當初美國人在發(fā)現(xiàn)新大陸以后,常常受到瘧疾肆虐,一直到發(fā)現(xiàn)印第安人利用金雞納樹治療瘧疾,當中的療效就來自于奎寧分子。早在馬丘比丘印加帝國時期,他們就會使用這個東西,我們今天看到的秘魯國旗上就印有一棵金雞納樹。

青蒿

其實北宋時期的《證類本草》就提到過青蒿,只是不太起眼。1971年,屠呦呦把它提取出來,到2015年,成了中國人在自然科學領域的第一個諾貝爾獎,也是中國奉獻給世界的一個禮物。

環(huán)孢菌素

從真菌Tolypocladium inflatum(蟲草菌Cordyceps subsessilis的近親),我們分離出了一種叫環(huán)孢菌素的成分,開創(chuàng)了器官移植的里程碑。因為環(huán)孢菌素能抑制T細胞及免疫系統(tǒng)的活性,如今廣泛用于預防器官移植后的排斥問題。

他汀類

他汀類藥物是歷史上賣的最好的一種藥物,能減少細胞內的膽固醇合成,降血脂,最初是從紅曲Monascus sp.中分離出來的。

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總的來說,生物資源是大自然母親饋贈給我們最珍貴的禮物。

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全球現(xiàn)存的物種估計有將近170萬個,但科學家描述的可能只有幾十萬種,有很多物種我們知之甚少,所以科學家的其中一項漫長的,對于許多學者是終身的任務,就是把它們搞清楚,建立起它們完整的家譜。

生物多樣性的危機時刻:人類紀

在地質歷史上,我們過去一般聽到的是寒武紀、白堊紀、第四紀等等——現(xiàn)在出現(xiàn)了一個新詞,叫人類紀或人類世。

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1951年,我們在土壤中發(fā)現(xiàn)核武器試驗產生的钚,有人認為這可以作為人類紀的開端。近20年來,在地球最深的海溝發(fā)現(xiàn)塑料、微塑料,并進入到了食物鏈。盡管人類出現(xiàn)的時間很短,但工業(yè)革命以來,人類的影響改變了地球自身演化的進程。

在這樣的一個背景之下,世界自然保護聯(lián)盟(IUCN)有一個報告:從1970至2006年,全球野生脊椎動物(像魚、牛、雞、老虎、老鼠)的物種種群數(shù)量平均減少了31%,熱帶地區(qū)和淡水生態(tài)系統(tǒng)的情況尤其嚴重,分別減少了59%和41%。

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生物分類(鳥類、哺乳動物、兩棲動物、爬蟲類等)中不同滅絕風險的物種數(shù)量與比例

其中,我親眼目睹了中國特有亞種華南虎的急劇下降和野外滅絕。

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華南虎逐年的數(shù)量變化

長江今年1月1號起10年禁漁,也是下了非常大的決心。在這決心背后,是整個生物多樣性的危機。

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我們有很多數(shù)字,包括那些這篇文章,發(fā)起了這一道嚴酷的問題——地球歷史第六次生物大滅絕是不是已經來臨?上一次的大滅絕在6500萬年前,導致了恐龍的滅絕?,F(xiàn)在國際社會也非常關注這個問題第六次生命大滅絕的問題。

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今天我在這個場合提到“人類世”這個詞,就是特別想呼吁我們企業(yè)家的關注。人類的發(fā)展,已經深刻影響了地球的演化,以及我們自身的未來。

沒有人類,地球仍然會生生不息,像是三葉蟲滅絕后有了恐龍,恐龍滅絕后有了哺乳類如我們,但希望我們這個物種不要在不該滅絕的時候滅絕了。

早在幾年前,聯(lián)合國就提出了17條可持續(xù)發(fā)展目標,其中也包括了保護環(huán)境以及生物多樣性的相關公約,可以說是一個國際社會的共識。這些事不是一個國家能做到的,因為生物物種的分布是沒有國界的,必須全球社會的協(xié)調行動。

2020年2月份《自然》雜志的一篇文章指出,中國在國際生物多樣性的保護計劃里正發(fā)揮著核心和協(xié)調作用,有很多的事情我們可以去做,比如劃定生態(tài)紅線、盡早實現(xiàn)碳中和等等。

我們可以從大自然的饋贈中獲得的美好生活,但在向大自然索取的同時,也要關注它的可持續(xù)性。殺雞取卵的事,在最初積累的時候可能不得不做,但到了后期發(fā)展就要盡量少做,才能保證發(fā)展是可持續(xù)的。

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這次的昆明COP15生物多樣性大會,提出了一個非常重要的命題:生態(tài)文明,共建地球生命共同體。工業(yè)文明引進了煙囪、工廠、拉高了生產力,但是生態(tài)文明必須讓所有物種和諧共處,建立地球上所有生命的共同體。

套用一句領導的話:綠水青山,就是金山銀山。生態(tài)興則文明興、生態(tài)衰則文明衰。我們要用最嚴格的制度、最嚴密的法治保護生態(tài)環(huán)境,深度參與生態(tài)文明的全球治理。


整理 | 邱施運
編輯丨朱珍
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