婁治平賴 仞苗海霞

（1中國科學院生命科學與生物技術局 北京 100864 2中國科學院昆明動物研究所 云南 650223）

經(jīng)典的生物資源是指當前人類已知的有利用價值的生物材料，包括動物、植物、微生物和病毒等資源。泛義而論，對人類具有直接、間接或具潛在的經(jīng)濟、科研價值的生命有機體都可稱之為生物資源，包括基因、物種以及生態(tài)系統(tǒng)等。作為地球自然資源的有機組成部分，生物廣泛分布于地球，包括大氣圈、巖石圈、土壤圈和水圈。當然，目前發(fā)現(xiàn)的大部分生物都集中在各圈層的交界處，這是生物圈的核心。地球表面結構千差萬別氣候各異且錯綜復雜，既有平原、丘陵、高山、荒漠等地形地貌，也有江河、湖泊、海洋等水域，還有寒帶、溫帶、熱帶等氣候帶，生境的差異造成生物多樣性豐度極高。目前已經(jīng)鑒定的生物物種約有200萬種，據(jù)估計，在地球上存活著的生物約有2000—5000萬種。

早期的生物多樣性概念是指生物及其與環(huán)境形成的生態(tài)復合體以及與此相關的各種生態(tài)過程的總和，由遺傳多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性等部分組成。遺傳多樣性是指生物體內(nèi)決定遺傳因子及其組合的多樣性；物種多樣性是指生物在物種上的表現(xiàn)形式；生態(tài)系統(tǒng)多樣性是指生物圈內(nèi)生境、生物群落和生態(tài)過程的多樣性。其中，物種的多樣性是生物多樣性的關鍵。它既體現(xiàn)了生物之間及與環(huán)境之間的復雜關系，又是遺傳多樣性存在的基礎。過去20多年據(jù)此開展的研究工作，對推動我國生物多樣性研究產(chǎn)生了巨大的影響。

隨著研究的深入，人們認識到生物多樣性是地球生命存在特征的具體表現(xiàn)形式，生命有機體是生物多樣性的基本物質(zhì)基礎，同時必須有保障生命存在的環(huán)境支撐系統(tǒng)，生命和生境兩者并存，若缺其一，生物多樣性將不復存在。生物多樣性研究的核心內(nèi)容是動物、植物、微生物和病毒等生命有機體之間及其與生境間相互關系、相互作用的系統(tǒng)整合；生物多樣性研究應緊密圍繞國家對新興生物產(chǎn)業(yè)和生物多樣性保護的戰(zhàn)略需求，提煉生物多樣性保護策略和生物資源永續(xù)利用的關鍵核心技術，針對特定區(qū)域重要生物類群及與之緊密相關的生物、非生物因子，從基因、蛋白、細胞、個體至群落等各層次，通過各種組學及現(xiàn)代高新技術手段開展多學科交叉綜合研究。

1 生物資源與生物多樣性對人類的影響

地球生命經(jīng)過億萬年的演化，由最初的簡單形式發(fā)展為現(xiàn)在的紛繁復雜，不同生物物種之間都具有重要的協(xié)同作用，從簡單互助到互生、共生和寄生等多種生命形態(tài)。人類的發(fā)展，其基本的生存需要如衣、食、住、行等絕大部分依賴于各種生物資源的供給。主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）人類的食物幾乎全部取自生物資源。人類歷史上約有3000種植物被用作食物，另有75000種可食性植物，當前被人類種植的約有150種。現(xiàn)在，全世界的食物蛋白質(zhì)來源于牛、羊、豬、雞、鴨等幾種畜禽[1]。全世界生產(chǎn)的水產(chǎn)品一半以上來源于天然捕撈，這些產(chǎn)品有的直接上市供人類食用，有的作為養(yǎng)殖飼料間接地為人類提供動物蛋白質(zhì)。在不發(fā)達國家或地區(qū)，人們還相當依賴獲取野生動植物作為食物。加納人所需蛋白質(zhì)的75%來源于野生魚類、昆蟲和蝸牛等；在博茨瓦納某些地區(qū)，食物總量的40%取自于野生動物[2]；扎伊爾人所需動物蛋白質(zhì)約有75%來源于野生資源[3]。

（2）發(fā)展中國家80%的人口依靠傳統(tǒng)藥物進行治療。生活在亞馬遜河流域西北部的人們開發(fā)了約2000個物種入藥[4]。中國利用野生生物入藥已有數(shù)千年歷史，中藥涉及5100多個物種，其中有1700種為常用藥[5]。如青蒿素治療瘧疾，水蛭素是有效的抗凝血劑，蜂毒可治療關節(jié)炎，某些蛇毒制劑能控制高血壓，斑蟊素可以治療某些癌癥等。

（3）在偏遠地區(qū)，人們所需能源仍主要依靠自然生物資源，其中最主要的是森林出產(chǎn)的薪柴。在尼泊爾、坦桑尼亞和馬拉維，90%以上的能源取自薪柴。在1983年，全世界共消耗了約1.6億m3的薪柴，占森林木材總產(chǎn)量的54%[6]。1989年中國農(nóng)村總耗能已超過5億噸標準煤，其中55%為生物能源如薪柴、秸稈、茅草等。

（4）生物多樣性之生態(tài)價值對人類的貢獻也是巨大的，它在維系自然界能量流動、物質(zhì)循環(huán)、改良土壤、涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)小氣候等諸多方面發(fā)揮著重要的作用，生物多樣性也是維持自然生態(tài)系統(tǒng)平衡的必要條件，某（些）物種的消亡可能引起整個系統(tǒng)的失衡，甚至崩潰。而且，豐富多彩的生物和它們得以生存的無機環(huán)境共同構成了人類賴以生存的支撐系統(tǒng)。

2 生物資源研究狀況

2.1 生物資源開發(fā)與食物供給

野化種群可以被馴養(yǎng)為家養(yǎng)品種，或用于家養(yǎng)品種的遺傳改良。對于農(nóng)作物，一個野生種或變種或許可以提供特定的抗蟲害或增加產(chǎn)量的基因。這種基因一旦從野外獲得，即可被整合、存儲到作物基因庫中。作物的災害常常是遺傳變異的喪失所致：1846年愛爾蘭的土豆枯萎病、1922年蘇聯(lián)的小麥欠收、1984年弗羅里達柑橘腐敗病，都與作物的低遺傳變異有關[10]。20世紀60年代的矮化育種、70年代的雜種優(yōu)勢利用和90年代的雜交水稻，都使水稻這種主要糧食作物的產(chǎn)量同期增長20%—30%，多養(yǎng)活了世界上數(shù)十億的人口。

傳統(tǒng)作物和家畜育種對野生遺傳資源的頻繁需求，顯著提高了作物質(zhì)量和產(chǎn)量的現(xiàn)代生物技術在遺傳育種中的應用，使得遺傳多樣性愈加重要。秘魯?shù)囊吧骷t柿的高糖含量和大果實基因，已經(jīng)被轉移到人工種植的西紅柿品種中，使該產(chǎn)業(yè)附加值大大增加。墨西哥一個多年玉米野生近緣種的發(fā)現(xiàn)，具有數(shù)十億美元的潛在價值，利用它可培育出不需要每年種植的多年生的高產(chǎn)玉米。來自蘇云金桿菌的抗病蟲害基因，已被轉移到西紅柿之中。

2.2 生物資源開發(fā)與人類健康

至于現(xiàn)代藥品，在美國有1/4的處方藥含有取自植物的有效成分，有超過3000種抗生素（包括青霉素和四環(huán)素）源于微生物[14,15]。從一種土壤真菌中提取的Cyclosporin通過抑制免疫反應，使得心臟和腎臟移植手術有了很大的突破[16]。阿司匹林以及其他許多人工合成的藥品首先是在野生物種中發(fā)現(xiàn)的。隨著人類壽命的大大延長，由此產(chǎn)生了許多新的醫(yī)藥衛(wèi)生問題，老年性疾病愈顯突出，如心血管疾病、癌癥等，對此美國食品與藥物管理局1983—1994年批準的520種藥物中，有157種來自天然生物活性物質(zhì)或其衍生物，同期批準的抗癌藥物有61%來源于天然生物活性物質(zhì)或其衍生物[17]。

自1928年英國的弗萊明發(fā)現(xiàn)了世界上第一種抗生素——青霉素以來，致病微生物的耐藥性問題不斷升級?？股厥袌隹傤~在300億美元左右，半個世紀以來沒有開發(fā)出真正意義上的新類型抗生素。隨著傳統(tǒng)抗生素的大量使用和濫用，在臨床上出現(xiàn)了各種各樣的耐藥菌株，如攜帶NDM-1質(zhì)粒的“超級細菌”，嚴重危害了公眾的健康[18]。20世紀80年代科學家發(fā)現(xiàn)動物天然免疫系統(tǒng)中存在一種有效的殺菌物質(zhì)，經(jīng)過近30年的研究，發(fā)現(xiàn)此類抗菌小肽物質(zhì)廣泛存在于生物界，從動物、植物到微生物本身都有分布，用以保護機體免受微生物的感染。很多抗菌肽對臨床耐藥致病菌都具有很好的殺滅作用。與傳統(tǒng)抗生素相比，抗菌肽因其獨特的作用機制（直接破壞細菌細胞壁和膜的通透性），而不易產(chǎn)生耐藥性，并且具有殺菌時間快、不誘發(fā)微生物產(chǎn)生內(nèi)毒素且可中和內(nèi)毒素因而不導致膿毒癥的產(chǎn)生（傳統(tǒng)抗生素可誘發(fā)膿毒癥）等優(yōu)點，已經(jīng)成為非常有應用前景的新型抗感染候選藥物[19]。

在研究人體生理、疾病致病機理和新藥物研發(fā)的過程中，動物模型發(fā)揮著不可或缺的作用。我國研究人員發(fā)現(xiàn)，廣泛分布于東南亞的小型哺乳動物樹鼩，適合構建各種醫(yī)學生物學動物模型。目前樹鼩作為動物模型已廣泛應用于黃曲霉毒素致肝癌研究、人孢疹病毒感染研究和乙肝病毒研究等[20]。

2.3 生物資源開發(fā)與能源供給

聯(lián)合國開發(fā)計劃署把新能源分為以下3大類：大中型水電；太陽能、風能、現(xiàn)代生物質(zhì)能等新可再生能源；傳統(tǒng)生物質(zhì)能?？梢姡镔|(zhì)能在世界未來新能源中仍會發(fā)揮重要作用。

生物質(zhì)是指由光合作用而產(chǎn)生的各種有機體，光合作用利用空氣中的二氧化碳和土壤中的水，將吸收的太陽能轉換為碳水化合物和氧氣。在各種可再生能源中，生物質(zhì)能是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉化為化學能而儲存在生物中的一種能量形式，是以生物質(zhì)為載體的能量，是一種唯一可再生的碳源，可轉化成常規(guī)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。生物質(zhì)遍布世界各地，其蘊藏量極大。生物質(zhì)能的原始能量來源于太陽，所以從廣義上講，生物質(zhì)能是太陽能的一種表現(xiàn)形式。目前，很多國家都在積極研究和開發(fā)利用生物質(zhì)能。有機物中除礦物燃料以外的所有來源于動植物的能源物質(zhì)均屬于生物質(zhì)能，通常包括木材及森林廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業(yè)有機廢棄物、動物糞便等。地球上的生物質(zhì)能資源較為豐富，而且是一種無害的能源。地球每年經(jīng)光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)有1730億噸，其中蘊含的能量相當于全世界能源消耗總量的10—20倍，但目前的利用率不到3%。

3 生物多樣性研究進展

（1）Nature雜志2010年發(fā)表文章證明了生物多樣性對生境的影響。實驗表明，植物多樣性增加可以直接增加生境濕度，增加食物鏈營養(yǎng)級水平和雜食性動物數(shù)量及種類。在地上和地下的生境中，草食性動物受植物多樣性影響比肉食性動物和雜食性動物明顯；地下生境系統(tǒng)受植物多樣性影響比地表生境弱；植物多樣性總體來說會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響，但外來物種入侵、病原生物的入侵和重寄生則會造成負面影響[21]。

（2）為探討重要動物物種保護對策，以珍稀瀕危動物為主體研究對象，開展動物（大熊貓）、植物（箭竹）、微生物（腸道消化酶）三者關系的生物多樣性研究取得了重要結果。大熊貓在分類上屬于肉食目，具有典型的食肉動物消化系統(tǒng)，但現(xiàn)存大熊貓以箭竹為主食。竹子是一種高纖維和低營養(yǎng)的食物，大熊貓除了能消化竹子中90%以上的蛋白質(zhì)和脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)外，還能利用約8%的纖維素和27%的半纖維素。2010年公布的大熊貓基因組卻未能發(fā)現(xiàn)大熊貓具有編碼纖維素和半纖維素等消化酶的基因[22]。通過對健康大熊貓新鮮糞便的腸道微生物16s rRNA分析，發(fā)現(xiàn)大熊貓腸道菌群具有高比例的梭菌綱物種，是已知能消化纖維素的菌群，產(chǎn)生纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、1,4-β-糖苷酶木聚糖酶以及1,4-β-木聚糖酶等用以輔助大熊貓對纖維素的消化[23]。

（3）針對具有重要經(jīng)濟用途植物的遷地保育問題，進行植物（八角）、動物（癭蚊）、微生物（根菌）相互作用的生物多樣性研究，取得了階段性進展。八角屬植物屬五味子科，是我國著名香料，也是制備抵御SARS和禽流感疾病藥物的重要原材料。其果實富含茴香腦和茴香醛，既可以直接作為調(diào)味品，還可以深加工成食品香料、工業(yè)香料。同時八角屬植物含有多種藥用成分，如莽草酸、茴香醚、茴香烯、倍半萜內(nèi)酯以及木質(zhì)素化合物等。莽草酸是抗流感藥物達菲的主要原料，目前莽草酸尚且不能工業(yè)合成，制藥所需大量原料仍然只能從八角屬果實中提取。該種屬植物在華南地區(qū)遷地保育過程中無法完成從種子到種子的整個生活史。例如，引種到華南植物園的八角雖然生長很好，而且可以開花，但至今不能結果。研究表明，八角屬植物雌雄異株，需要癭蚊來完成授粉。癭蚊幼體在土壤中結繭、過冬，在第二年植株開花時羽化進入第二個生殖周期。目前由于對癭蚊的生活史，尤其是其幼蟲在土壤中的發(fā)育過程及其與土壤環(huán)境的相互作用仍缺乏了解。另外，菌根能與八角屬植物形成共生體，以促進植物生長并提高其抗病力，引種后土壤環(huán)境的改變，特別是土壤微生物的變化可能導致植物菌根共生體系的破壞，影響植物的生長[24]。

（4）生物固氮是各國科學家長期關心和研究的重點。人們總是希望廣大農(nóng)田糧食作物能和豆科作物一樣有固氮自肥的能力，以減少對化肥的依賴。上世紀80年代后期，美國科學家應用豆科宿主植物提取馴化出新根瘤菌轉變菌，用以處理小麥、水稻、高粱等7種非豆科植物，使其能結瘤固氮。這些新菌株分別命名為小麥根瘤菌、水稻根瘤菌等。在類根瘤中可以檢測到大量細菌存在和較低的固氮活性。但目前對宿主植物如何接受根瘤信息、禾本科植物能否像豆科植物那樣在適當?shù)臅r間和空間內(nèi)合成足夠多血紅蛋白保持類根瘤內(nèi)氧平衡等問題尚未得到解決[25]。

（5）藻類的爆發(fā)伴隨著全球水體富營養(yǎng)化的加劇而日趨頻繁，對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)將產(chǎn)生巨大的潛在危害。目前，人們逐漸關注利用溶藻微生物來防治有害藻類[26]。病毒、細菌、放線菌、真菌等微生物在防治水體富營養(yǎng)化、控制水華暴發(fā)上展現(xiàn)了良好的應用前景。近年來通過人工介質(zhì)固定溶藻菌、投加復合細菌等方式，大幅提高了溶菌藻濃度，有效降低了湖水藻類生物量和湖水中氨氮及總磷污染。藻類病毒因其專一性和自我復制的優(yōu)越性而成為備受關注的生物控制劑，內(nèi)生真菌因其寄生溶藻的獨特作用及溶藻過程中可能生成的活性物質(zhì)而越來越受到人們的重視[27,28]。

4 現(xiàn)代高新生物技術在生物資源利用和生物多樣性保護中的應用

（1）功能基因組與重要性狀相關基因的研究。功能基因組技術的應用首先是功能基因組的研究，但更重要的是在以基因組研究成果為基礎的醫(yī)學、藥學、農(nóng)業(yè)及相關產(chǎn)業(yè)、生物技術工業(yè)、環(huán)境和資源、生態(tài)保護與恢復等領域的應用。由于基因組和功能基因組研究能提供最本質(zhì)的數(shù)據(jù)和知識，使得從野生生物資源中挖掘重要性狀功能基因的研究前景十分廣闊。

（2）蛋白質(zhì)組與重要蛋白質(zhì)結構和功能研究。蛋白質(zhì)是生命現(xiàn)象的執(zhí)行者，它將更直接地揭示生命現(xiàn)象特別是人類健康與疾病的機制；同時蛋白質(zhì)中蘊藏著開發(fā)疾病診斷方法和新型藥物靶標的結構信息。而自然界生物多樣性的豐富度，就是多種蛋白質(zhì)形成所展示的結果；蛋白質(zhì)組與重要蛋白質(zhì)結構和功能研究，也將為生物多樣性保護對策提供重要的物質(zhì)基礎和技術支持。

（3）代謝組與系統(tǒng)生物學研究。代謝組學是以一個生物體內(nèi)所有代謝物的總和為研究對象，試圖研究生物體內(nèi)所有代謝物分布和時空動態(tài)變化的規(guī)律，最終達到可以有針對性地對某些基因進行操作如替換、阻斷、重組等，改變某些生物途徑從而產(chǎn)生新的代謝旁路，形成新的化合物。通過代謝組與系統(tǒng)生物學研究，解析植物、動物、微生物等相互作用，更有利于從理論上深入探討生物多樣性起源演化規(guī)律、保護機理和保育機制。

（4）基因轉移和轉基因植物。植物轉基因研發(fā)已經(jīng)取得明顯成效，研發(fā)的植物種類不斷擴大，涉及的轉基因性狀有較大的拓寬，如提高水稻光合效率，解決水稻胚乳不能合成維生素A的難題，增強綜合的耐干旱、耐鹽堿、抗寒冷等惡劣環(huán)境的能力，大幅度增加大豆油酸相對含量，培育抗黃萎病和枯萎病的轉基因棉花等。

（5）工業(yè)和環(huán)境微生物?，F(xiàn)階段生物技術的核心是微生物技術，主要是采用現(xiàn)代分子生物學和分子生態(tài)學的原理和方法，充分利用環(huán)境微生物的生物凈化、生物轉化和生物催化等特性，從污染治理、清潔生產(chǎn)到可再生資源利用，多層面全方位地解決工業(yè)和生活廢水污染、石油和煤炭脫硫、農(nóng)藥殘留、能源和材料短缺等問題。利用微生物的生物合成與轉化技術，可有效地改變單純攫取野生生物而造成自然資源枯竭、生物物種瀕臨滅絕的狀況，使生物多樣性獲得有效保護，生物資源得以永續(xù)利用。

5 展望

生物資源是國家的戰(zhàn)略資源，從戰(zhàn)略層面加強生物多樣性保護，既有利于推進生態(tài)文明建設，又有利于促進生物資源的合理開發(fā)利用。有效保護是合理利用的前提和基礎，在生物多樣性豐富、典型生態(tài)系統(tǒng)分布和生態(tài)環(huán)境脆弱等區(qū)域集中了我國大部分重要生物資源，切實保護好我國特有的、珍稀瀕危的、開發(fā)價值高的生物物種至關重要。有效保護也是為了更好地合理利用，每一個生物物種都包含著豐富的基因資源，加強開發(fā)利用可以為生物多樣性和生物資源的保護與利用帶來深刻的科技革命。這就需要把推進生物資源及生物多樣性保護與發(fā)展新興生物產(chǎn)業(yè)結合起來，從戰(zhàn)略高度重視生物資源利用，推進在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領域的產(chǎn)業(yè)化，促進綠色經(jīng)濟發(fā)展壯大。

生物資源永續(xù)利用和生物多樣性保護的有機結合，事關整個地球生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和發(fā)展。新形勢下，應立足我國國情，借鑒國際經(jīng)驗，堅持優(yōu)先保護、合理利用、惠益共享的目標和方針，建立健全生物多樣性保護體系，科學開發(fā)利用生物資源，創(chuàng)新保護和發(fā)展模式，形成在發(fā)展中保護、在保護中發(fā)展的新機制。

世界是一個相互依存的整體，由自然界和人類社會所組成。物質(zhì)文明有賴于人類對生物多樣性保護與生物資源永續(xù)利用的不斷認知。自然界任何一方的健康存在和興旺都和其他方面息息相關，人類以群居為主要生存形式，其健康的存在方式不僅僅是人類之間，還包括與自然界其他生物間和諧共處。如果我們無限度攫取地球上的自然資源，造成物種滅絕，人類必將付出降低生活水準和生活質(zhì)量的慘痛代價。在擴大內(nèi)需滿足我國不斷增長的社會需求之時，理應注重生物多樣性的有效保護機制、長效保護策略研究，為重點物種保護工程提供理論基礎和關鍵核心技術支撐；同時加強具有自主知識產(chǎn)權的生物資源永續(xù)利用研發(fā)，推動新興生物產(chǎn)業(yè)升級，對現(xiàn)代化生態(tài)城市建設、構建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會都有重要指導作用。尋求自身發(fā)展和自然界和諧相處的可持續(xù)發(fā)展方式，將是人類發(fā)展道路的必然選擇。

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