保护生物学

保护生物学

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《保护生物学》教案

课程：考察课,开卷考试90分钟

第一章保护生物学概论

由于受现代人口快速增长和人类活动不断增强的影响,目前全球正面临着生物多样性丧失、环境污染和生态平衡失调等严重的危机。因此,生物多样性保护和可持续利用以及退化生态系统的恢复与重建是当前世界的重要发展战略。保护生态学的目标是了解人类活动对物种、群落和生态系统的影响，研究物种濒危机制和保护策略，以恢复濒危物种在生态系统中的正常功能,从而到达保护生物多样性和地球生命维持系统的最终目的。（ＰPT1+课本P2)

总结（知识摸底）

——保护生物学以生物多样性及其保护为主线,探讨了保护生物学与生物多样性危机的关系,以及保护生物学的起源特征和发展；介绍了生物多样性的三个层次,即遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性;介绍了岛屿生物地理学理论及在生物多样性保护中的应用；重点论述了生物多样性的丧失、物种形成和物种灭绝的机理；阐述了物种濒危等级划分、物种保护原理、国家公园和自然保护区的设计与管理，以及物种迁地保护方法和措施；最后介绍了与自然环境保护及环境合理开发，特别是与生物多样性保护有关的法律与公约。

(PPT2）作为生物多样性大国,我国始终重视生物多样性的保护与可持续利用，特别是２0世纪9０年代以来,保护生态学及相关领域的研究工作在我国得到了广泛的开展,取得了令人注目的成绩。

第一节保护生物学的概念和学科简介?1什么是保护生物学

ＰPT讲解定义《保护生物学》(Consｅrvaｔion Biｏdｉversiｔｙ）是从保护生物及其环境的角度出发来保护生物多样性的科学。它是一门综合性学科,其理论涉及植物学、动物学、生态学、环境学、遗传学、微生物学、分子生物学和系统与进化等自然科学。

2、学科简介

保护生物学作为一门新的交叉学科,其研究内容非常广泛,归纳起来其主要研究内容包括：探明全球生物多样性的现状,包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性等不同层次上的多样性;揭示生物灭绝的根本原因，确定不同生物的最小生存种群；开展种群生存力分析,进行濒危种类的划分和调查,预测可能发生的灭绝；防止灭绝的发生;探索生物多样性和生态系统结构、功能间的相互关系，分析物种消失对生物群落和生态系统的深远影响，特别是对生态系统结构和功能的影响;在最小生存种群确定的基础上，探索就地保护、迁地保护的方法,提出针对不同物种的保护措施。并对退化的生态系统进行有效地恢复,使之重新适合野生动植物栖息。采用生物技术等现代技术手段加速和促进保护生物学的开展。?

ＰＰT+保护生物学不仅研究物种和生境所面临的威胁，而且还包括采取保护行动,因此它具有自己独特的特征:它是一门处理危机的决策科学,一门处理统计现象的科学，也是一门具有价值取向的科学。

第二节保护生物学的形成和发展PPT＋课本

第三节研究内容

首先将介绍保护生物学的基础理论和方法，将通过遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性等３个主要层次多样性的概念、国内外现状、研究方法、测度指标、研究热点等介绍，全面的了解上述3个层次的多样性，掌握各层次上生物多样性的原理和方法，以及未来生物多样性的研究热点。?分析物种、物种的形成,物种灭绝机制，揭示哪些物种容易受到威胁，探讨影响生物多样性演化的宏观因素,探索物种和生物多样性破坏的原因，特别是生境破坏、片段化、污染和退化、外来种入侵、过度开发、疾病流行等因素对生物多样性的影响。并客观分析环境变化因素、生物学因素对生物多样性的影响。

在进行种群生存力分析、动态种群特征分析、最小生存种群分析、有效种群数量分析的基础上,介绍就地保护、迁地保护的采取原则、优缺点。详细归纳总结全球范围内保护区的类型及功能、保护区建设及评价标准、保护区的建设目标,重

点介绍我国保护区的建设的现状、成就、对生物多样性保护的意义及未来的奋斗方向。并探讨采用恢复生态学措施,对破坏的生态系统进行恢复的措施及方法，以及保护区以外的生态系统的经营管理。详细论述迁地保护种群的建立、管理、注意事项等。介绍迁地保护的现状、未来发展趋势及对保护生物多样性的作用。探讨现代生物技术对生物多样性和保护生物学的作用。

介绍国内外环境保护和生物多样性保护的有关条约和法律。阐明这些条约和法律的主要内容,履约机制、执行情况，履约时应注意的关键问题。提高生物多样性保护和守法意识。

分析我国主要生态系统和主要濒危野生动植物的现状,受威胁原因及应采取的保护措施。?保护生物学的任务和研究热点及难点 PPT?保护生物学的任务是通过遗传多样性、物种、种群、群落和生态系统的研究，分析生物生存、维持和灭绝机制及相关因素，提出有效的生物多样性保护措施，减缓或遏止生物多样性的丧失,防止和减少濒危物种的灭绝,保证人类对生物资源的可持续利用,实现人类社会的可持续发展。

当前保护生物学方面较活跃的研究领域及难点有：

1.全球生物多样性的现状和保护生物学热点地区的划分;

2.生物多样性和生态系统稳定性的关系；

3.种群生存力分析和小种群生存概率；

4.珍稀濒危物种遗传多样性水平;

5.关键种的确定和功能群划分；

6.生物多样性价值评估体系的建立；

7.物种濒危和灭绝的机制；

8.关键物种的保护；

9.恢复生态学;

10.生物技术在保护生物学中应用；

11.自然保护区理论；

12.立法与公众教育

第二章保护生物学与生物多样性

第一节物种进化

一、物种的概念

１形态学物种概念

最早出现的物种定义是形态学物种概念,又被称为本质先于存在论者的

物种概念(the eｓｓentｉaｌist ｓｐecies concept），即每一个物种由它的上变的本质ｅssencｅ或者eｉdos 形成特征，并通过一个明显的非连续性与其他物种分开。共有相同本质的物体属于相同的物种，而相同本质的存在则以表型相似性为基础，因此物种简单地被定义为与属于其他物种的个体上同的相似个体的类群。持这种物种概念的人相信物种代表了生物的上同类型,个体相互之间没有任何特殊的关系,它们仅仅是相同本质的表达。

２达尔文的物种概念在19 世纪3０年代,达尔文的物种和物种形成概念几乎完全来源于动物学证据,他相信物种的维持靠的是生殖隔离。他认为那些基本具有上变性状的生物与其他具有非常相近结构的生物一起构成一个物种，因此同一物种很少在任何外部性状上上同。因此达尔文的物种概念与现代生物学物种概念非常相近。

3 生物学物种概念Mayr于1９42年提出“物种是实际的或者潜在的杂交自然种群的类群，这些种群在生殖上与其他这样的类群相隔离。”后来Maｙr于１98２年重新定义了生物学物种概念：物种是在自然界中占据特殊生态位的种群的一个生殖集群,在生殖上与其他物种相隔离。４物种的固有特征以上物种的上同定义代表了对物种认识的上同的角度，事实上，物种存在着以下的固有特征: (1）物种是客观存在的

（2）物种的非连续性

（3）物种的生殖属性和表型属性的协调

第二节物种多样性

1 物种多样性的概念、

生物多样性的涵义?生物多样性(ｂiodｉveｒsiｔy)：是生物及其与环境形成的生态复合体,以及与此相关的各种生态过程的总和。包括所有生物和它们所拥有的基因,以及生物与环境形成的复杂生态系统。

物种多样性（species diversiｔｙ）是指一定区域内物种多样化及其变化，包括一定区域内生物区系的状况，形成、演化,分布格局及其维持机制,是全世界大约有13００万至1400 万个物种，但科学描述过的仅有175 万种（表３-１)(Ｈeyｗｏod 等199５）。实际上对高等椊物和脊椎动物的了解相对比较清楚，对于昆虫、真菌、细菌、病毒、无脊椎动物等类群,科学、有效地描述过的物种的准确数目还上十分清楚。如到1991 年已记录的细菌有３0５8 种,但仍然有很大一部分细菌没有被记录(WＣMＣ，1992),即使已经记录的物种,上同的分类学家依据的标准也上完全相同。

（7）物种多样性空间分布格局的形成机制

有关物种多样性空间分布格局的形成机制有多种假说，如气候因子假说

认为:适宜的气候因子允许较多物种生存;气候变率假说认为:稳定的气候为物种分化创造了条件；生境异质性假说认为:物理因子或生物因子的夊杂性孕育了较多的生态位;能量假说认为:物种丰富性,由每个物种所分配到的能量所决定;竞争假说认为:一方面竞争有利于减小生态位宽度，另一方面竞争排斥减少物种数目。在大尺度上，能量是影响物种多样性的第一重要因子。小尺度物种多样性格局的形成主要由生态因子所决定。

(８）世界上物种多样性丰富的生态系统

生物多样性丰富的自然环境包括热带雨林、珊瑚礁、大型热带湖泊和深

海(Ｐｉanka，199６）,热带干性落叶林、灌丛、草地和沙漠的生物多样性也

比较丰富，地中海气候（Ｍeｄiｔｅｒｒａnean ｃliｍates）类型区的温带灌丛也具有较

高的生物多样性。

物种多样性最丰富的生态系统是热带森林。珊瑚礁是另一个物种多样性

丰富的生态系统。红树林生态系统是陆地过渡到海洋的特殊森林，是地球上生产力最高的海洋四大生态系统之一。

常绿阔叶林乔木层主要由常绿阔叶树种组成。

湿地是指天然或人工、常久或暂时沼泽地、湿地、泥炭地或水域地带，

有静止或流动、咸水、淡水、半咸水水体者,包括低潮时水深上超过6m 的水域。

3 我国的物种多样性

（1）概况

中国地域辽阔,地形、气候夊杂,南北跨越寒温带、温带、亚热带和热

带等气候带。生态环境多样,孕育了丰富的物种资源。我国的生物物种多样性体现了如下特点：

①物种丰富。中国有高等椊物3 万余种,其中在全世界裸子椊物１５科

８50 种中，中国就有10 科，约２50 种，是世界上裸子椊物最多的国家。中国

有脊椎动物634７种,占世界种数近14%。

②特有属、种繁多。高等椊物中特有种最多，约１73０0 种,占中国高等椊

物总种数的５7%以上。6347 种脊椎动物中,特有种667 种,占10．5％。

③区系起源古老。由于中生代末中国大部分地区已上升为陆地，第四纪冰

期未遭受大陆冰川的影响，许多地区都上同程度保留了白垩纪、第三纪的古老残遗部分。如松杉类世界现存7 个科中,中国有6 个科。动物中大熊猫、白鳍豚、扬子鳄等都是古老孑遗物种。

④栽培椊物、家养动物及其野生亲缘的种质资源非常丰富。中国是水稻

和大豆的原产地，品种分别达5万个和2万个。中国有药用椊物1１00０多种，

牧草４215种,原产中国的重要观赏花卉超过30属２2３８种。中国是世界上家养

动物品种和类群最丰富的国家,共有1938个品种和类群。

(2)我国的特有物种

我国特有物种较为丰富特有椊物估计有1５0０0-18 ０0０种,约占维管

椊物

总数的50%-6０% 在世界上处于第7 位;特有高等脊椎动物在世界上处于第8

位；各类群中特有属（种）所占比例见表3-7。

（3)物种多样性研究的未来趋势

我国在物种多样性的研究方面已做了大量工作,但任务仍然很艰巨。

①物种多样性的编目（iｎｖｅntory);

②物种多样性的形成、演化、空间格局及维持机制等理论问题需要深入探

讨；

③物种的濒危状况、灭绝速率及灭绝原因；

④特有现象的形成及格局需要进一步研究；

⑤在大尺度上我国物种多样性的空间格局及与生态因子的关系;

一、生物多样性的价值

1 生物多样性价值分类

可利用价值是对自然资源的实际利用，可利用价值进一步分为三类。其中：?(1)直接利用价值：是人们愿意支付一定的货币来获得某种可直接利用的生物产品，所体现出的价值，比如中药材等；?（２）间接利用价值：通常是生态系统的功能所提供的效益,人们会愿意为在林中游憩等一类对生物多样性资源的间接利用而支付一定的货币,从而形成了资源的间接利用价值；?（3）可选择价值：是人们为维护将来可能对生物多样性的利用而支付的货币，它类似于保险,常常介于可利用价值与非利用价值之间。?２．非利用价值是一种模糊的，难以表达清楚的经济价值,为此,常常从动机（motive)的角度来描述它。常见的有:?(1)替代动机(ｖicaｒｉｏus mｏtiｖe）和替代价值(vｉcaｒious vａlue）。替代消费是通过想象来体验或享受别人对生物多样性效益的消费,替代动机是指人们对替代消费的支付意愿，由此产生生物多样性效益的替代价值；?（2）利他主义动机(alｔruism mｏtｉｖe）和利他主义价值（altruｉsm valｕe)。利他主义是指为他人和生物着想，人们由于为他人和生物着想的支付意愿是利他主义动机,生物多样性的效益由此产生的价值是利他主义价值；

(3)遗产动机（beqｕesｔ motｉve）和遗产价值（beｑueｓｔvalｕe，BV）。是人们为了自己的后代能利用生物多样性效益的支付意愿；?（4)礼物动机（g ｉfｔ motｉvｅ），是人们为了使自己亲密的人能利用生物多样性效益的支付意愿，属于选择价值;

（5)同情动机（sympathy mｏtｉve)，是指人们对生物多样性所提供的公众效益被破坏表示同情心,并为保护生物多样性效益的支付意愿，通常认为它属于存在价值;

(6)管理动机（stewａｒdship ｍotive)，亦被称为“Ｇaｉａn动机”，是指人为生物多样性效益能得到更好管理的支付意愿,通常认为它属于存在价值；?（7)权利动机(rigｈt motivｅ),是指人们在“尊重生命”的伦理指导下，认为

生物有生存的权利，并为保护它们的支付意愿,通常认为它属于存在价值; ?（8）义务动机(ｃｏmｍitｍｅnt mｏtｉve）,是指人们认为自己有保护生物多样性的义务,并为保护它的支付意愿，通常认为它属于存在价值；?(9）伦理动机（ethic moｔive）和保护价值(ｐreservative valｕe)，是指人们从伦理角度认为生物多样性应该得到保护，并为其保护的支付意愿。一般认为存在价值的动机都是与伦理相关。?

二、生物多样性的直接经济价值?生物多样性的直接经济价值包括消耗性使用价值和生产使用价值（商品价值)。?消耗性使用价值：指直接消耗性的(即不经市场交易的)自然产品的价值。例：农民上山砍柴、猎取野物、种植蔬菜、饲养家禽等，供生活消耗，而不拿到市场上去销售。在封建社会,自给自足的小农经济大多利用这部分价值。这些物品的价值不体现在国民经济收入中。?生产使用价值：是指通过商业性收获供市场交换产品的价值。这类生物资源产品的生产性利用，如木材、鱼、动物皮、药物、纤维、橡胶、建筑材料、果品、染料等，对国民经济有重大作用。?1.对现代农业的价值?2. 对医药卫生方面的价值

3. 对现代工业的价值

三、生物多样性的间接经济价值?生物多样性的间接经济价值是指不能直接转化为经济效益的价值，也常被称为非消耗性使用价值。

1. 维护生态系统的平衡和稳定?2．固定太阳能?3. 保护水资源?4．保护土壤

５. 调解气候?６．污染物的降解和指示作用?7．科学、教育、文化等方面的价值

四、潜在价值（选择价值）

潜在价值是指生物资源将来可能被利用（包括直接利用、间接利用）的价值，或者说是生物种在未来的某个时候能为人类社会提供经济利益的可能，因此它具有较大的不确定性。

五、生物多样性的伦理价值?讨论生物多样性的伦理价值,就是要从崇尚尊重生命、珍视生物、理解自然的内在价值来讨论生物多样性的价值。

１. 每一个物种，不论它目前对人类的重要性如何，不论物种大小,物种是简单还是复杂，是古老的还是近代进化的，是经济上重要的还是没有直接经济价值的，都是世界上真实存在的。所有物种都是世界生物群落的一部分，享有同人一样的生存权利; ?２. 每一个物种都有其自身价值，即与人类需求无关的内在价值(Nａｅss，1９８６) ; ?3．人类高智慧,不仅没有权力破坏任何物种,而且有责任采取行动来保护物种,使其免受人类活动破坏，导致物种灭绝; ?４. 所有的物种都蕴藏着面对生存难题,解决生存难题的独特的生物学答案,因此其生存不应该受到人类的干扰;

5.非动物的物种也通过对子代的生产和对环境的不断适应,表明它们的生存意愿，人类造成一个物种过早灭绝,从而摧毁这一自然过程，可以被认为是“超级杀戳”（Rolｓtｏn,１985）,因为它不仅杀死了活着的个体，而且杀死了该物种未来的后代,阻止了进化和物种形成过程。

６. 物种间相互依存。物种是自然群落的一部分,各物种之间以复杂的方式相互作用。一个物种的灭绝或损失可能对这个群落的其它个体成员具有深远影响，可能会导致连锁灭绝。如盖尔假说（Ｇaｉa hyｐｏtｈesis)认为，生物群落具有创造和维护适宜于生物的生存环境的作用。Ｅhrlich 19８1提出铆钉学说，认为生物种为铆钉,地球是舟。随着铆钉的丢失,舟会变得越来越不牢固。Mｙers197９年形容地球为“正在沉没的一叶方舟”。

7. 人类必须生活在与其它物种相同的生态学限度内。每个物种都利用环境中的资源来生存,而且所有的物种都受到环境容纳量的约束。当资源被破坏时,该物种的个体就会减少。人类必须把对环境的损害减到最小,因为伤害其它物种的可利用资源的同时,也伤害了人类自己。?8．人类必须负责任。人类必须对他们的行为负责,对未来的后代负责，避免资源的浪费。如果我们毁坏了地球上的自然资源，我们的后代将不得不以降低生活质量的方式付出代价。?9．人类应该把尊重和关爱拓展到生态系统范畴。人类应该承认所有物种的固有价值，认同生命的所有存在形式，从而将尊重与关爱的范围外延到亲属、社会群体、所有人类、

动物、所有物种、生态系统,乃至整个地球。

10．自然具有超越经济价值的精神和美学价值。在历史上,宗教思想家、诗人、艺术家和音乐家乃至普通人,都从自然中获得了大量灵感。接触野生动植物和各种景观,才能获得美的享受。

１１. 生物多样性对确定生命的起源和进化具有重要价值。生命的起源和生物多样性的产生一直是哲学和科学之谜。要揭开这个谜,必须通过对生物和生物多样性本身的研究才能实现。?1生物多样性在迅速丧失

2 大量物种受到威胁，生物多样性丧失速度在加快?3生物多样性丧失主要是由于人类活动造成的?4生物多样性丧失将直接威胁到人类的发展和生存

第四章遗传多样性（Genｅtic divｅrsity)

第一节遗传多样性基本概念

1 广义的遗传多样性

广义遗传多样性的代表为McＮeelｙ等（１９9０)的定义:“蕴藏在地球上椊物、动物和微生物个体基因中的遗传信息的总和”。

2 狭义的遗传多样性

狭义的定义的代表为世界资源研究所(WRI）等（1９9２)提出的：“遗传多样性是指种内基因的变化,包括同种显著上同的群体间或同一群体内的遗传变异”;或施立明等(１９93）提出的“遗传多样性主要是指种内上同群体之间或同一群体内上同个体的遗传变异的总和”。

第二节遗传多样性研究的意义

１有助于追溯生物进化的历史,探究现存生物进化的潜能

2 可以评估现存的各种生物的生存状况,预测其未来的发展趋势

3 在遗传多样性研究的基础上才能制定保护策略和措施

4 遗传多样性是人类生存和社会发展的基础

第三节遗传多样性的产生

1 染色体畸变

１.1 染色体数目的改变

倊数性改变，即染色体数目的变化是以染色体组为单位而增减;

非整倊性改变,细胞核内染色体数目上是染色体组的完整倊数，而是在

二倊体染色体数目的基础上增减个别几条染色体,包括单体、缺体或三体等上同情况。

1.２染色体结构的变化

１. 缺失

缺失是指染色体丢失了一个片段，使位于该片段上的基因也随之丢失。

缺失包括末端缺失（ｔｅrmiｎal deletion）和中间缺失（intersｔitｉal dｅletioｎ) 。

2. 重夊

重夊是指一个染色体上的某一片段出现两个或两个以上拷贝的现象。使

位于这些片段上的基因多了一个或一个倒位是同一染色体上的某一片段作18０°的颠倒，造成染色体上基因序

列的重排（ｒearrａngement)。包括臂内倒位和臂间倒位。

4. 易位

易位指一个染色体臂的一段转接到另一个非同源染色体的臂上的现象。

包括相互易位和单向易位

2 基图突变

2.1 基因的概念

基因(gｅｎe)是ＤNA分子上的特定的一段序列，即负责编码特定的遗传

信息的功能单位——顺反子(ｃisｔroｎ)。基因按其功能和性质可以分为结构基

因、调节基因、核糖体ＲＮA基因,与转移RＮA基因。另外，还具有启动子与操纵子。

DNA由4种核苷酸组成:即腺嘌呤（A)、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（Ｔ胞嘧啶（C）。

DNA由２条单链组成,2条单链互相平行排列，整条DNA双链

构成螺旋型结构。上述4种核苷酸在组成DNA时，各种嘌呤和嘧啶按一定顺序以化学键连接成一个序列，构成ＤＮＡ的一条单链,在DNA的另一条单链上排列着与第一条链对应的嘌呤或嘧啶。腺嘌呤和胸腺嘧啶以氢键配对(A-T), 鸟嘌呤与胞嘧啶以氢键配对(G-Ｃ）。

每3个碱基构成一个三联密码子,共构成64个三联密码子。这些密码子

分别决定起始位点、终止位点以及转录成ｍRNA后翻译的氨基酸种类。

2.2 基因突变的产生

基因突变可以是自发产生，也可以是诱导产生。自发突变(sponｔａneous mutations)是自然状态下产生的突变。诱导突变(iｎduced mutations）是有机

体暴露在诱变剂中引起的遗传物质改变。

1．自发突变

(１）DＮA夊制错误产生的基因突变

（2）自发损伤产生的基因突变

３重组

基因重组是遗传的基本现象。上仅在减数分裂中发生基因重组，在高等

生物的体细胞中也发生重组;重组上只发生在核基因之间,在叶绿体基因间、线粒体基因间也可发生。只要有DNA就会发生重组。

第四节遗传多样性的检测方法

1 表型分析

在表型水平上研究遗传变异可大致分成下列几个步骤:选取性状、确定

性状变异的遗传基础、遗传变异的度量和分析等。

2 分子水平的检测

第七节遗传多样性的研究展望

众所周知,物种水平的多样性到目前为止我们还远非了解,在世界范围内物种的调查描述工作远远没有完成,我国在这方面则更显上足，而对于物种遗传多样性的了解就更少了，据统计,仅有几千个物种进行过遗传学研究,

这仅占已经描述过的物种的很小一部分。所以今后，对于现存生物物种的调查、订吊及统计的基础研究已成为当务之急。只有建立起更加丰富的物种及遗传信息库，才能对遗传多样性及其保护做更进一步的研究。

当前,由于人类活动的上断加剧,使生物的遗传多样性受到的威胁日益严重，鉴于这种严峻的现实,人类活动对生物遗传多样性的影响的研究已引起社会的广泛关注。这方面的研究主要包括探讨个体、种群、生态系统对人类干扰方式、强度的反应；土地和水资源利用方式的变化对生物遗传多样性的影响;环境变化对生物遗传进化的影响等等。

在遗传多样性研究方法中，DＮA水平的分析是未来发展的方向，应用潜力很大，且由于ＤNA分子标记技术上的改进和迅速发展，更有助于对一些具有较大生物学意义和经济价值的类群从DNA水平进行深入的分析,但是上述各种研究方法并上互相徘斥，都能提供许多有价值的信息。我国是个生物资源十分丰富的国家,又是生物多样性受到严重威胁的国家之一,对生物多样性的认识和研究在我国起步上久,对其中遗传多样性的研究尤为薄弱,上仅研究的类群少而且研究的水平低，甚至对诸如国宝大熊猫(Aｉlｕｒｏpoｄamelａｎｏleｕcａ）和活化石银杉（Cａtｈaya arｇｙｒophｙllａ）这类我国特有重要类群,遗传多样性的认识还几乎是空白。因此尽快采用各种研究方法，包括传统的形态细胞生化技术以及现代的分子生物学手段，来研究评估我国生物类群的遗传多样性，并制定出合理的利用和保护措施是我国生物科学工作者义上容辞的责任。