6-生物入侵与生物安全

第六章生物入侵与生物安全第一节生物入侵一基本概念本地种指在其过去或现在的自然分布区域和扩散潜力范围内即物种自然分布或无直接间接引入或不需要人类干预能够存活繁衍的范围的物种亚种或更低级的分类群外来种指出现在其过去或现在的自然分布范围以外即在原分布范围以外自然定殖的或没有直接或间接引进或没有人类活动就不能定殖的物种亚种或更低级的分类群包括能够存活下来并繁殖的任何部分配子或繁殖体外来种的类型有益如玉米小麦大麦马铃薯辣椒番茄棉花花生番薯又称引进种中性在一定的条件下维持相对稳定如广玉兰桉树属植物等有害外来有害种入侵种外来入侵种指在自然半自然生态系统或生境中定居下来的对本地生物多样性产生影响并构成威胁的外来种如喜旱莲子草凤眼莲微甘菊松材线虫美洲斑潜蝇紫茎泽兰等外来种成为入侵种的概率约为本地种外来种及外来入侵种三者之间的界限并不是显而易见的如外来种在侵入年后就很难从本地种中区分开来有相当的物种难以判定是本地种还是外来种目前我们所定义的外来种中潜伏着一些未来的入侵种这也常常是外来种管理上的疏漏之处因为人们通常只注重那些已经产生危害的入侵种而忽视了即将出现的入侵种如巴西胡椒许多年来被人们栽种于院落作为观赏树种上个世纪年代末年代初突然爆发至今人们还无法解释其泛滥成灾的真正原因生物入侵当外来种进入一个新的地区并能存活繁殖形成野化种群其种群的进一步扩散已经或即将造成明显的生态和经济后果这一事件称生物入侵二生物入侵的模式与机制一生物入侵的模式生物入侵在生态学和进化生物学中有重要意义入侵种的现存优势潜在危害发生机制不确定性风险等都是要认真考虑和评估的课题其中入侵模式尤为重要生物入侵模式大致可分为以下类自然入侵完全没有人为影响的自然分布区域的扩展这在现代史上极其罕见如环颈鸽的入侵人类辅助入侵在人类改变了的环境中自然传播并扩张其分布区域事例不多如鹭鸶的入侵屏障去除后的入侵由于人类去除天然屏障后生物体能自然穿越而引起分布扩展这是淡水生物入侵的常见模式如七鳃鳗的入侵人类运输引起的意外入侵依赖于人类运输生物体入侵后能适应新的环境促进意外运输的因子有小型或隐性生殖体如浮游生物的幼体植物的种子有利于传输的进化学和适应如老鼠吉卜赛飞蛾与栽培养殖物种相似如杂草种子鲤科小鱼与其他物种共生如栗树锈病船舶的压舱水如斑马胎贝入侵北美海域及河流湖泊货物运输中无意夹带的入侵种如亚洲虎蚊随汽车轮胎进入美国通过哺乳动物和鸟类身上的吸血而传播登革热和其他病毒从动植物园或养殖场逃逸出去的入侵物种依赖于人类的运输生物体对新环境有至少是中等程度的适应能力才可望定居然后经过一定时间的逐渐适应性扩张后成为入侵种如葛藤有意引入在大量有意引入的物种中有狩猎或渔业种如驯鹿各种鱼类林业种如杨树桉树松树等牧业种如早熟禾各种牧草各种牲畜渔业促进种如糖虾驯化种如欧掠鸟舵鸟等生物控制种如微型黄蜂这种入侵模式中绝大部分的生物入侵事件都是人类活动直接或间接造成的生物入侵可以认为是人类活动所引起的全球变化之一在全球化中有着特殊的地位与作用二生物入侵的机制外来物种进入新的生态系统最后能否成为入侵种有两个因素在起作用一是进入新环境的外来物种的自身特点二是该环境是否可被这个物种入侵外来种的生物学特性传播能力强关键如美国白蛾薇甘菊紫茎泽兰凤眼莲水盾草对环境的适应性强谷斑皮蠹生命力强如马铃薯金线虫入侵种与本地种的相互作用缺乏天敌的控制但不完全是如此如喜旱莲子草种间抑制有时是导致入侵成功的主要因素外来种与本地种间的竞争外来种在新生境中的竞争能力往往强于生态位相似的本地种通过排挤后者获得成功如火蚁外来种的协同入侵如携带病原体或寄生虫的外来种杂交促进入侵外来种与本地种杂交产生的后代可能兼具双亲的有利性状还能产生双亲不具备的新特征使其能生活于双亲不能生存的生境中同时杂交种往往具有较高的遗传多样性摆脱双亲有害基因的影响有利于其生存群落的可侵入性生物多样性有时对抵抗外来种入侵起着关键性的作用物种组成较丰富的群落比组成简单的群落对生物入侵的抵抗力强另外一种观点多样性高的群落因其生境条件较好反而有利于外来种入侵群落的可侵入性一些结论岛屿比大陆易受入侵结构简单的群落比结构复杂的群落易受入侵新世界比旧世界更易入侵温带生态系统比热带生态系统易受入侵热带岛屿比欧洲和北美的岛屿易受入侵某一区域中参观者人数的增加会导致外来种数量的增加关于群落可入侵性的一些假说群落物种丰富度假说物种丰富的群落不能给外来种提供足够生态位所以可以抵御外来种的入侵空缺生态位假说本地种缺乏对外来种没有足够的生物抵抗天地逃避假说当植物种类传入一个新的地区后食草动物和其他天敌的调节减弱导致外来种分布范围和丰度的急剧增加迁移前后干扰假说如果本地种不能适应某个干扰而外来种适应的话干扰就导致入侵植物群落资源波动假说当植物群落中未被利用的资源增加时易受外来种入侵群落生态学假说把生态位机遇作为群落可入侵性的着手点三种因素影响着外来种的生长速率资源天敌物理环境他们均有随时空变化的特性物种对这三种因素及其时空变化的反应决定着其入侵能力成功的入侵者正是利用各种机遇的胜者它在群落中缺乏专性甚至兼性的天敌波动的资源正好被他利用本地的竞争者对资源的利用不如它且兼性天敌对他的控制力很强使其无法与入侵者竞争物理环境也对其有利生境变化一般认为栖息地受到干扰有利于生物入侵的发生近年来已有实验证据表明干扰越强烈入侵越易发生干扰可分为自然干扰与人为干扰都能在群落中形成空的生态位降低了这些区域的土著生物群落对入侵的抵抗力使外来种易于进入定居人为干扰如修建道路城市化垦荒放牧等对土著群落的破坏大而且很大程度上改变了小环境同时还促进了外来种的传播对入侵的促进作用一般很大但食草类野生动物的取食山火等自然干扰对入侵造成的影响也不容忽视近年来的研究表明干扰对入侵的关系是复杂的首先干扰的作用是多方面的过强的干扰会降低群落生物多样性陈利顶傅伯杰而促进入侵适当的干扰则产生相反的效果其次在某些缺乏干扰的情况下土著群落的一些种会爆发从而使群落的生物多样性降低减弱对入侵的抵抗力另外干扰对入侵不是必需的许多入侵过程就是在没有自然或人为干扰的情况下发生的最后入侵可能使群落结构发生改变这种改变反过来又会影响群落受干扰的难易程度全球变化也促进了生物入侵的发生从整个生物圈的角度看全球变化会使气候带范围发生改变这必然会改变物种与资源的分布区域结果促进入侵近来的一些研究具体地说明了全球变化是如何促进生物入侵过程的例如大气中浓度的增加会延缓草原群落演替的过程这样就为外来种进入群落提供了更多机会氮化合物的增加使外来种能侵入一些原本土壤较贫瘠的地区而生长缓慢的土著种则在竞争中处于不利地位气候变暖使原产热带的外来种分布范围增大喜暖的植物可能取代植物干旱与半干旱地区降水量的增加使得外来种能够侵入这些地区全球变化促进了生物入侵反过来生物入侵在全球范围内影响了生物群落的结构与功能继而反馈性地影响全球环境因而全球变化对生物入侵的促进会对地球环境产生长远的影响三生物入侵的危害生物人侵所带来的经济损失是巨大的年美国前总统克林顿在签发总统令时提到按照一些专家的估计生物入侵每年对美国造成的损失高达亿美元在我国仅粗略统计几种主要入侵种每年所造成的损失即高达亿元入侵种造成的总体损失可达到数千亿元人民币中国环境与发展国际合作委员会生态安全课题组生物入侵对环境及生物多样性也是一个极其严重的威胁专家们估计在美国入侵植物已侵染了亿以上每年由于入侵植物而损失万土地是特拉华州面积的两倍据分析造成当地许多物种灭绝从而使得生物多样性丧失的第一位的导因是生境的被破坏和生境的破碎化第二个最重要的因素则是生物入侵它对生物多样性生态系统的稳定性以及所有物种都赖以生存的自然界的平衡造成了长期的威胁正由于生物入侵是在全球的尺度上发生因而它还有造成全球植物区系和动物区系均匀化的趋势世纪年代人们意识到了化学污染对环境的巨大影响及其对人类健康的巨大威胁而从年代后人们开始关注人类所面对的另一巨大威胁一一一生物入侵与化学污染相比入侵生物会增长繁殖适应新的环境扩散和暴发生物入侵是一个比化学污染更具有威胁性的和长远效应的浪潮四外来种的控制法规防治控制外来种传播危害的最直接手段就是阻止其传入即检疫美国年第一部植物检疫法生效中国年通过中华人民共和国进出境动植物检疫法通过立法采取强制手段禁止危险性的外来种传入是控制外来种的首要措施扑灭有害外来种传入新区后为彻底消灭这一外来种时所采取的行动是一种紧急措施传统生物防治至今已有百余年的历史其突出特点是对环境安全经济合算效果持久美国加拿大澳大利亚南非主要采用此法综合治理农药的不合理使用带来问题造成严重的恶果过量地滥用农药破坏生物安全污染生态系统危及人类健康有害生物综合治理是当前国际上普遍公认并广泛采用的有害生物治理策略我国控制外来种案例用红胸叶虫釉小蜂控制椰子红胸叶虫六生物入侵实例由于无法跨越大环境的障碍进行扩散许多物种的分布因此受到限制北美的哺乳动物不能越过太平洋到达夏威夷加勒比海中的鱼类不能越过中美洲到达太平洋海洋沙漠山脉和河流都限制了物种的运动但是通过世界范围内的交往与传播人类已基本上改变了上述情况世界上有越来越多的地区受到了外来种的强烈影响在夏威夷人们发现大约有种外来植物为该岛本地种总数的倍马萨诸塞的淡水鱼类有一半以上的种类是从别处引入的无论是有意还是无意引入的昆虫均能建立起巨大的种群这些外来昆虫对本地昆虫区系无疑有很大的影响尽管大多数影响还未弄清这些外来昆虫通过与本地物种竞争有限的资源引人动物还能杀死和吃掉本地种而使后者濒临灭绝或者改变生境导致许多本地种无法再承受生境的变化外来种很有可能将一些病原微生物带入本地当地的动物植物对它们几乎没有抗性于是便引起病害流行例如在我国绝大多数板栗对枯萎病有抗性只有生长衰弱的树本容易感染这种真菌性的病害而死亡然而在本世纪初期当已感染此病的中国板栗树被引种到美国纽约市时板栗枯萎病便扩散传染给缺乏抗性的美国板栗树在几十年内美国境内几乎全部板栗树均因感染此病而死亡引入一定条件下也有获得成功的例子桉树引自澳大利亚在海南岛和雷洲半岛的很多林场都有种植由于它大量吸收水分对水土保持十分不利造成土壤干燥在一块土地上连续种植使得土壤肥力愈来愈低甚至形成荒芜之地使整个林场的生产发展陷入困境红耳龟俗称巴西龟或巴西彩龟是宠物龟的一种它的头顶部两侧有条红色粗条纹因而得名红耳龟巴西龟生长速度快高繁殖易存活对饵料的强占有率以及在生存空间中的占据优势的能力旦放生到野外大量掠夺其他生物的生存资源会使同类物种的生存受到毁灭性打击而当巴西龟等外来物种入侵后即使停止继续引入已传入的个体并不会自动消失而会继续大肆繁殖和扩散这时要控制或清除往往十分困难目前巴西龟已经被世界自然保护联盟列为世界最危险的个入侵种之一山羊被引入后圣赫勒拿岛是世界上最孤立的岛屿之一年山羊被引入到该岛并很快成为半野生状态布满了整个岛屿它也为居民和定期航海的游人提供了食物的来源然而不幸的是年之后当植物学家来到该岛上的时候那里的植物格局已经被完全改变了可尽管如此当时该岛仍然记录到种特有的植物其中中现在已经灭绝但我们永远也不知道的是还有多少物种在这次记录之前就已经消失了在许多其他的岛上山羊也造成了类似的破坏因此在生物多样性丧失的因素中山羊的排名完全可能仅次于人类是位居第二位的肇事者澳大利亚原本没有兔子年英国人托马斯奥斯汀引进了只兔子为打猎而放养了只在这没有天敌的国度里它们繁衍至今已有六亿多只后代这些兔子常常把数万平方公里的植物啃吃精光导致其他种类野生动物面临饥饿的危机许多野生植物也存在绝种的可能年许多国家的客商来到美国新奥尔良市参加一个博览会时发现当地水域内生长着一种名叫凤眼莲风信子的植物这种叶柄呈葫芦状并开着一簇簇蓝紫色花朵的植物非常美丽人们纷纷将其带回自己的国家养殖一百多年后凤眼莲已遍布全球的热带亚热带暖温带由于其繁殖力惊人在世界各地许多水域都出现了凤眼莲覆盖大面积水面的现象造成堵塞河道阻碍排灌破坏水生生态系统等危害在年长江特大洪灾中防汛人员在长江荆江大堤章化段巡堤查险发现清水漏洞开挖处理时在堤身挖出大量螯虾鄂州长江干堤燕矶段也发现十多起螯虾危害大堤的情况武汉市汉阳区汉江大堤上黄金口段的一处平方米的池塘边就曾发现了个虾洞经及时用沙石料填埋才消除了隐患中国科学院水生生物研究所的专家前去考察后发现虾洞是一种学名为克氏原螯虾的甲壳动物打的洞穴深度米至米直径厘米至厘米有垂直洞也有水平洞有时洞洞相连在大堤背水面数十米以内经常发现这些虾洞往往与管涌形成有关对堤防危害极大克氏原螯虾原产于北美洲后被日本引进本世纪年代传入我国由于螯虾的生存和繁殖能力都很强分布范周日渐扩大如今在我国南方特别是长江流域的诸省市都能见到螯虾能给堤坝造成危害是由其喜欢穴居的生活习性决定的它的前端长有一对钳子般的螯足打洞的速度很快范围也较大由于它们经常生活在江河水库池塘和水田等的岸边因此对于堤坝的危害可能比白蚁的危害更大实地考察发现螯虾主要出现在堤坝的背水面只要有水坑水沟或很潮湿的地方一般就会有它们的踪迹而长江及其支流的大堤一般都是土堤在取土筑堤时往往在背水面形成水坑池塘和低洼地成为螯虾生长和繁殖的适宜场所螯虾对鱼类尤其是幼鱼也有很大的杀伤力人们还发现过螯虾把荷塘中新长出的藕芽都咬断吃掉的情形第二节生物安全一基本概念遗传修饰生物体指经遗传修饰的生物体另两个概念遗传工程处理生物体经修饰的活生物体常称转基因生物或工程生物生物安全年代后期出现原因生物技术产品主要是基因工程产品转基因生物将可能给环境人类巴西龟健康甚至伦理道德各方面带来危机生物安全已成为世界各国关注的焦点问题之一年联合国生物多样性公约的条款中将它列入公约生效后两次缔约国大会上生物安全的问题都是大会的主要议题二转基因生物的诱人前景提高作物产量增加经济效益节省费用减轻管理工作的强度减少化学农药例子美国玉米由于欧洲玉米螟而遭受的损失每年达亿美元种植转基因抗虫玉米后年和年两年的平均产量都提高了美国由于种植了耐除草剂转基因大豆年少施了除草剂结果控制了杂草及土壤温度提高了产量没有除草剂的残留物并且在作物的农艺管理上的灵活性大得多了加拿大年由于耐除草剂转基因油菜的种植产量提高了减少了对除草剂的应用万面积的转基因油菜的经济效益为万美元我国抗病毒的转基因烟草增加了烟草叶片产量并节约了的杀虫剂用量数据世界范围内此处不含中国已经大面积释放的转基因作物有烟草棉花油菜番茄马铃薯大豆和玉米等年全球转基因作物商品化种植面积为万到年面积猛增到万到年时又比年翻了一倍多达到万我国可能是世界上最早大面积释放转基因作物的国家年抗烟草花叶病毒和黄瓜花叶病毒的双抗转基因烟草在河南省已达的面积年我国转基因烟草释放面积已达万我国转基因作物大面积释放面积在国际上占第二位第一位是美国整个发展中国家转基因作物商品化种植的面积在年占全球释放面积的近一半年仅占三生物多样性与生物技术生物多样性是生物技术的基础生物多样性的开发利用是生物技术创新的最重要的源泉人类对赖以生存的地球肆无忌惮地利用和破坏带来的后果是对生物多样性的毁灭据植物中心的保守估计到年万种植物将要绝灭或濒临绝灭如按一种植物有种其它生物依赖其生存计到年物种绝灭的总数将为万万种这个数字比自然状态下物种绝灭的速度至少高万倍生物技术在生物多样性保护和持续利用中的作用寻找新的遗传多样性并开发和研究基因资源获得有效的药物和治疗方法降低人类对生物资源的需求如种植高品质的作物对工业产品进行再循环利用并减少其对环境的污染降低对自然资源的消耗检测生物多样性并对未知物种进行定名和描述系统分类学对微生物进行培养和筛选揭示遗传多样性生物技术在生物迁地保护的的作用动物迁地保护生物技术如人工授精选择性育种胚胎移植胚胎切割克隆短期圈养繁殖和再引入自然以及长期圈养繁殖冷冻保存等等解决外来种问题运用雄性不育产品基因工程产品特定宿主的病原体人工诱导遗传负荷抑制免疫性调控繁殖的遗传基础和性引诱剂等可能会在年内消除大多数的外来种解决小种群问题在小种群中遗传变异的丧失和有害突变的固定是不可逆的和不可避免的经过插入和诱导遗传突变可以补偿由遗传漂变而造成的后果同时应用生物技术能够阻止基因的有害突变并恢复遗传多样性四生物技术与生物安全生物多样性公约与生物安全生物多样性公约第条就地保护的条款写道制定或采取办法酌情管制管理或控制由生物技术改变的活生物体在使用和释放时可能产生的危险即可能对环境产生不利影响从而影响到生物多样性的保护和持续利用也要考虑到对人类健康的危险生物多样性公约规定需要建立生物技术改变的活生物体安全管理的国际性统一准则年缔约国第一次大会一致同意成立生物安全专家小组先商讨制定国际生物技术安全的技术准则年月联合国环境署在开罗发布了国际生物技术安全管理的技术准则世界资源研究所等扼要给出了使用生物技术的行为准则各国应在发展和检测新的生物技术之前首先提高监测和控制它们的能力对释放遗传修饰生物体可能存在的危险进行仔细评估对于遗传多样性丰富的地方尤要如此各国对进口遗传修饰生物体等材料应严加管理严格控制生物技术以防止由于利用新技术而使得动植物品种过分单一化如植物材料的克隆繁殖和转移家畜胚胎的方法禁止发展试验和应用生物技术用于军事目的例如不得用来制造生物武器在国家和国际水平上建立补偿机制以支持受损害的农业社区和国家而这种损害是由于利用生物技术创造的新作物取代原有作物造成的应建立早期预警网络以监测生物技术对社会与经济带来的压力及其对生物多样性的影响防止一些小型的农场主被迫迁至更边远地区应制定生物技术的国际行为准则以在各层次管理生物技术遗传修饰生物体释放的生态风险遗传修饰生物体释放的生态风险转基因生物的入侵风险基因逃逸的风险抗病毒转基因作物可以产生新的病毒转基因作物释放对土壤生物群落及生物地球化学循环的影响害虫对转抗虫植物的抗性风险转基因植物产生的杀虫剂对非目标生物的影响的风险转基因生物的入侵风险与外来种入侵相似如为了控制另外一个引入种岛引入了一种蜗牛结果使当地六种蜗牛几乎全部消失优良性状的转基因作物容易成为入侵种已有证据表明基因提高了转基因甘蓝型油菜在田间的适合度转基因逃逸的风险转基因可以通过传粉在空间上逃逸也可以通过种子库在时间上逃逸并通过转基因作物与其野生亲缘种的杂交种在自然界中存留转入作物的特性以抗除草剂的为多其次是抗虫和抗病毒最后是抗逆这使野生亲缘种具有获得选择优势的潜在可能性若获得选择优势的野生亲缘种本身就是杂草那就会为该杂草的控制增加很大的困难例如转基因水稻如与起源的野生种同在一个区域时水稻中的转基因会转移到野生稻中去野生稻是危害很大的杂草若商品化稻田里的野生稻得到了来自抗除草剂转基因水稻的抗除草剂基因则野生稻的危害更大美国加州大学的研究发现一种栽培的圆白小萝卜可以通过虫媒或风媒与在一公里以外生长的野生萝卜授粉因此他们建议转基因作物要建立隔离区对某些植物来说隔离的距离至少要几公里抗病毒转基因作物可以产生新的病毒含有病毒基因的转基因抗病毒作物释放的最受关注的一个风险就是转基因有可能会与其它病毒重组从而产生新的甚至是更具毒性的病毒转基因作物释放对土壤生物群落及生物地球化学循环的影响土壤中的生物体通过捕食竞争对抗或共生而发生相互作用一旦环境由于转基因产品的释放而发生改变一些敏感生物体快速发生反应达到一定程度时其它生物也发生反应从而影响到整个土壤生物群落转基因植物及其产物进入土壤以后可能会与土壤生物发生相互作用影响到一些土壤生物的活动过程而后者对生物地球化学循环有着重要的贡献从而对生物地球化学循环产生重要影响害虫对转抗虫植物的抗性风险由于转基因植物能够持续地高水平表达单一的杀虫毒蛋白因此植物对害虫造成的选择压力甚至比杀虫剂还要高植物的释放将会加速害虫的抗性进化在实验室选择条件下对产生抗性的害虫有一二十种至年在已经或即将被批准上市的大约种转基因作物中有种是转作物其中种是玉米马铃薯和棉花各种转基因植物产生的杀虫剂对非目标生物的影响的风险目前已经商品化的抗虫转基因植物就是能够产生杀虫蛋白的转基因作物其残留组织中的杀虫蛋白的消散时间较长它对非目标生物影响的潜在风险不容忽视五生物安全的措施风险评估的科研工作极其重要经遗传修饰的植物和微生物大田试验生物安全结果的国际会议已召开过三次立法发达国家中不同的国家对研究和释放风险的估价是不一样的总的趋势是欧洲国家在立法上要比北美一些国家更为严格在德国向环境中释放一个要求递交的报告几乎达一尺厚而在北美仅页纸的报告就可以了因此德国某些的产物就到北美国家去申请释放我国有关生物安全的第一个法规是针对基因工程药物在年制定了基因工程产品的质量控制标准按标准规定基因工程产物的质量必须满足安全性的要求对基因工程产品普遍适用的是在年月日由科技部第号令发布的基因工程安全管理办法加强教育与培训生物安全法规一旦制定后为了法律的实施为了使释放后尽可能减少对环境及人体的负影响加强对有关人员的教育或培训是必要措施之一结语科学技术是一把双刃剑种类或品种引进转基因技术的应用需十分谨慎但现在这方面的问题很多