第四章 生命的種類及生物與其環境的關係 (Variety of Life & Relation of Organisms with their environment)

什麼是 “生態學” ? (What is “Ecology”?) 德國生物學家 Ernst Haeckel (1869 年)首先應用此詞彙以描述為 “研究地球上生物的居所” ∴ 生態學是一門研究生物與其他生物及其周圍環境的相互關係的科學

與生態學有關的詞彙 (Terms related with Ecology) 生物圈 (Biosphere / ecosphere) 是地球上所有被活生物佔據的地方 包括空中、海洋、泥土深層 亦可區分為不同的生物地理區 (biogeographical regions)，各被不同種類的生物佔據

與生態學有關的詞彙 (Terms related with Ecology) 生物群落 (biome) 由地區性氣候及其內的生物組成 兩者相互影響而形成一獨特的群落單位，內有某些特有的動植物品種 例子 : 草原 (grassland) 沙漠 (desert) 熱帶雨林 (tropical rain forest) 凍原 (tundra)

熱帶雨林 (TROPICAL RAIN FOREST) 沙漠 (DESERT)

草原 (GRASSLAND)

凍原 / 苔原 (TUNDRA)

與生態學有關的詞彙 (Terms related with Ecology) 生境 / 棲所 (Habitat) 是生物的住處 內有特定的物理條件 生物發展出不同的特徵以適應生活在該生境中的物理因素 分類 : 水生生境 (aquatic habitats) 陸生生境 (terrestrial habitats)

(1) 水生生境 (Aquatic habitats) 淡水生境 (freshwater habitats) 水的鹽度很低 可作以下的分類 : 流水 / 激流 (running water / lotic) 水靜止不動 / 靜水 (standing water / lentic)

(1) 水生生境 (Aquatic habitats) 海洋生境 (marine habitats) 水的鹽度很高 可作以下的分類 : 岩岸 (rocky shore) 沙灘 (sandy shore) 泥灘 (muddy shores) 岩岸 (ROCKY SHORE)

紅樹林 (MANGROVES) 沙灘 (SANDY SHORE) 泥灘 (MUDDY SHORE)

(2) 陸生生境 (Terrestrial habitats) 草原 (grassland) 由草、野草、細小的雙子葉植物組成

(2) 陸生生境 (Terrestrial habitats) 木林 (woodland) 由高大的樹木組成 熱帶 (tropical species) 和溫帶 (temperate species) 品種

(2) 陸生生境 (Terrestrial habitats) 耕地生境 (agricultural habitat) 為種植農作物之田地

(2) 陸生生境 (Terrestrial habitats) 市區生境 (urban habitats) 如鄉村 (villages)、市鎮 (towns)、 城市 (city)

與生態學有關的詞彙 (Terms related with Ecology) 小生境 (Micro-habitats) 生境的細小區分 內有其獨特的環境或氣候 例子 : 岩岸的石池 葉子的下表面

與生態學有關的詞彙 (Terms related with Ecology) 生態地位 (Ecological niche / niche) 是指某生物在其群落或生態系中的功能、地位、及角色 亦包括生物的結構特徵、生理作用、行為、攝食習性、及其與生物間的相互作用 生物具相同 / 相似的生態地位  劇烈的競爭

與生態學有關的詞彙 (Terms related with Ecology) 種群 (Population) 居住或生活在同一生境內的一群同種生物 種群內的成員可互相交配而產生可育的後代 群落 (Community) 所有生活在同一生境內的動植物種群 種群間有相互作用 (interaction)

生境

生境、種群、及群落的關係 = 一個種群 （如麻雀） = 一個種群 （如地顫草） = 一個種群 （如鼠） = 一個種群 （如蚱蜢） 所有 所有

與生態學有關的詞彙 (Terms related with Ecology) 生態系 (Ecosystem / ecological system) 是自然界中天然而成的系統 / 單位 生物因素 + 物理因素 = 生態系 (群落) (物質+能量) 穩定、自給自足、能繼續自行運作 能容許物質的循環、及能量的流動進行

生物不能獨立生存 環境 每種生物都與環境及 其他生物互相影響

種群的增長 (Population Growth) 是種群內個體數目的增加或減少 由以下兩種因素互相影響 : 生物潛能 (Biotic potential) 環境阻力 (Environmental resistance)

生物潛能 (Biotic potential) 是生物的繁殖能力 受以下各項因素影響 : 出生率 (birth rate / natality rate) 死亡率 (death rate / mortality rate) 個體達至成熟時所需的時間 種群內雌性個體的相對比例 種群內活個體的數目 個體的平均壽命 遷移入和出其生境的個體數目

環境阻力 (Environmental resistance) 能減低種群內個體的生育力和生存的因素 包括所有限制種群增長的生物和非生物因素 限制種群增長的非生物 / 物理因素 : 如溫度、光量、居所、食物的供應、廢物的積聚 限制種群增長的生物因素 : 如捕食、競爭、寄生等

種群的生長曲線 - S 型曲線 (Population growth curve) 正加速期 (lag phase) 對數期 / 指數期 (log phase) 平衡期 (stationary phase)

影響生境中各種生物的 數量、種類、分佈、 行為和適應性 生態系 物理因素 生物因素 影響生境中各種生物的 數量、種類、分佈、 行為和適應性

生態系 – 非生物因素 (Ecosystem – abiotic factors) 影響生態系內的動植物品種、分佈、及行為 包括以下各項因素 : 光 (light) – 光量 (light intensity)、光質 (light quality)、光照週期 (photoperiod) 基質 / 泥土 (substratum / soil) 地形因素 (topographic factors) 風速和氣流 (wind & air current) 水流 (water current) 溫度 (temperature) 氣體 (gases) 水份 (water) 鹽度 (salinity) 礦物鹽 (minerals) 酸鹼度 / pH

生態系 – 生物因素 (Ecosystem – biotic factors) 包括了生態系內所有生物 = 生態系內的群落 根據生物在食物鏈中的角色, 可作以下分類 : 生產者 (producer) 消費者 (consumer) 分解者 (decomposer)

(i) 生產者 (Producer) 位於食物鏈的首位 自養生物 能進行自營營養  提供食物予生態系內所有異養生物 大部份為綠色植物

(ii) 消費者 (Consumer) 異養生物 根據牠們在食物鏈的位置, 可作以下分類 : 需從外界攝取複雜的有機食物 初級消費者 次 / 三級消費者 食碎屑生物

食碎屑生物 (Detritivores / detritus feeders) 分解中的生物屍體 / 有機物碎塊 能協助分解者進行分解作用 攝取碎屑作為食物 通常為體積細小的生物 亦可被其他體積大的生物捕食, 形成食碎屑食物鏈 (detritus food chain)

食碎屑食物鏈 (detritus food chains) 例子 : 落葉  蚯蚓  鳥  鷹 動物腐屍  蛆  蛙  草蛇

(iii) 分解者 (Decomposer) 腐生生物 主要是真菌、細菌、及某些鞭毛蟲 促進生態系內物質的循環  無機養料  被生產者再吸收  再次進入食物鏈

生態系 能量流 生物間互相依賴 （第 23.4 節） （第 23.6 節） 物理因素與生物 間互相影響 物質循環 （第 23.5 節） （第 23.7 節） 物質循環 （第 23.5 節）

生態系內的能量傳遞 (Transfer of energy in Ecosystem) 包括了生態系內所有生物 = 生態系內的群落 根據生物在食物鏈中的角色, 可作以下分類 : 生產者 (producer) 消費者 (consumer) 分解者 (decomposer)

(i) 生產者 (Producer) 包括了生態系內所有生物 = 生態系內的群落 根據生物在食物鏈中的角色, 可作以下分類 : 消費者 (consumer) 分解者 (decomposer)

生態系內的能量流的例子 通過熱和呼吸作用散失 通過熱和呼 吸作用散失 太陽能 藉光合作用轉化為草的化學能 兔體內的化學能 被兔子 吃掉 被狐狸 攝食 藉光合作用轉化為草的化學能 兔體內的化學能 吃剩的草和死去的草使能量散失 兔的排泄物、吃剩的兔肉和死去的兔使能量散失

生態系內的能量流 能量以食物的形式 在生態系內轉移 （化學能） 被狐狸 攝食 狐狸體內 的化學能

食物鏈和食物網 食物鏈 顯示某生境中有關物種指定的攝食關係的次序 草 兔 狐狸 = 被獵食

食物鏈和食物網 食物網 顯示生境中某些生物之間所有可能出現的攝食關係的圖表 狐狸 兔 松鼠 草和其他植物 鼠 鷹 蛇 蜘蛛 蛙 吃種子的鳥 兔 松鼠 草和其他植物 鼠 鷹 蛇 吃植物的 昆蟲 蜘蛛 吃昆蟲的鳥 蛙 吃動物的 昆蟲 草原的食物網

食物鏈和食物網 食物鏈的特點 所有成員會是生產者、消費者或分解者 食物鏈通常由 一種綠色植物 開始 下一個成員通 常是進食植物 的草食性動物 兔 狐狸 食物鏈通常由 一種綠色植物 開始 下一個成員通 常是進食植物 的草食性動物 其他成員是進食動物的肉食性生物或雜食性動物 所有成員會是生產者、消費者或分解者

食性層次 是生物的攝食層次，由生物在食物鏈或食物網中的位置決定 能量由較低 的食性層次 流向較高的 食性層次 食物鏈中的生物 類 別 類　別 食性層次 鷹 三級消費者 第四層 能量由較低 的食性層次 流向較高的 食性層次 蛙 二級消費者 第三層 蚱蜢 初級消費者 第二層 草 生產者 第一層

被分解者分解，而分解者獲取的 能量通常不會轉移到下一個層次 食性層次 能量散失有下列數種原因 被分解者分解，而分解者獲取的 能量通常不會轉移到下一個層次 未被攝食 的生物 只有小部分被攝食

食性層次 能量散失有下列數種原因 60% 未被消化或吸收，排出體外成為糞便 只有小部分被攝食

食性層次 能量散失有下列數種原因 30% 以熱能的形式因呼吸作用和活動散失 60% 未被消化或吸收，排出體外成為糞便 只有小部分被攝食

食性層次 <10% 用來製造 身體物質 能量散失有下列數種原因 以排泄的 形式散失 30% 以熱能的形式因呼吸作用和 活動散失 60% 未被消化或吸收，掛出體外成為糞便 以排泄的 形式散失 只有小部分被攝食

生物間的互相依賴 (Interdependence of organisms) 競爭 (competition) 捕食 (predation) 共生 (symbiosis) 寄生 (parasitism)

(1) 競爭 (Competition) 相似的生態地位 競爭相同的資源 種類 : 植物 - 陽光、空間、水份、礦物鹽 植物 - 陽光、空間、水份、礦物鹽 動物 - 食物、居所、配偶 種類 : 種內競爭 (interspecific competition) 種間競爭 (intraspecfic competition)

種內競爭 (Intraspecific competition) 為同種生物個體間的競爭 生活習性完全相同  所需的天然資源完全相同  生態地位完全相同  非常劇烈的競爭

種內競爭的例子 - 培殖不同種群密度的水虱 進行地點: 含完全培養液的培養瓶 選用生物: 水虱 (water fleas) 種內競爭的例子 - 培殖不同種群密度的水虱 進行地點: 含完全培養液的培養瓶 選用生物: 水虱 (water fleas) 樣本: 不同種群密度 1/cc 4/cc 8/cc 32/cc

種內競爭的例子 - 培殖不同種群密度的水虱 實驗結果: 種群密度愈低  生長率常保持最高 原因: 低種群密度  高生育能力 種內競爭的例子 - 培殖不同種群密度的水虱 實驗結果: 種群密度愈低  生長率常保持最高 原因: 低種群密度  高生育能力  低環境阻力 (∵食物充足、較少廢物積聚等)

(ii) 種間競爭 (Interspecific competition) 為不同種生物間的競爭 生活習性相似  所需的天然資源相似  生態地位相似  劇烈的競爭 競爭排斥原理 (Gause) (Competitive exclusion principle)

例子 (一) 兩不同品種草履蟲之間的競爭

例子 (二) 兩不同品種的麵粉甲蟲之間的競爭 T.castaneum - 能在較高溫及潮濕下生活 T.confusum - 能在較陰涼及乾燥下生活 實驗: 在一瓶麵粉內培養 結果: 最終只有其中一品種繼續生存， 但卻被“麵粉中的氣候”影響

(2) 捕食 (Predation) 是捕食者 (predator) 和獵物 (prey) 之間的相互作用 獵物的數量 > 捕食者的數量 能量沿食物鏈傳遞而↓ 捕食者的體積 > 獵物 獵物的種群改變  捕食者種群亦隨之改變

例子 (一) - 培殖草履蟲及纖毛蟲的實驗 草履蟲 (P.caudatum) - 獵物 纖毛蟲 (D.nasutum) - 捕食者 例子 (一) - 培殖草履蟲及纖毛蟲的實驗 草履蟲 (P.caudatum) - 獵物 纖毛蟲 (D.nasutum) - 捕食者 實驗: 在一瓶燕麥培養液中進行 結果: 第一天後 - 草履蟲種群 ( 5  120 ) 第二天 - 加入纖毛蟲 第二天後 - 纖毛蟲 ( 3  20 ) - 草履蟲 ( 120 ↓↓ 0 ) 第四天後 - 纖毛蟲 ( 20 ↓↓ 0 )

例子 (二) - 在大自然界中的真實例子 野兔與山貓 (加拿大 Hudson Bay) 狠與鹿 (美國亞利桑那州大峽谷北邊的平原)

(3) 共生 (Symbiosis) 兩不同品種的生物共同居  建立親密的共生關係 種類 : 片利共生 (commensalism)  建立親密的共生關係 種類 : 片利共生 (commensalism) 互利共生 (mutualism)

片利共生 (Commensalism) 共生者(commensal) - 得益生物 寄主(host) – 無獲益處及害處 例子: 附在蟹殼表面生長的藤壺 附在鯊魚皮上生活的小魚 (Remora) 附在寄居蟹殼上生活的海葵 附在樹幹上生長的附生植物 (epiphytes)

片利共生 (Commensalism) 例子: 在水牛 (water buffalos) 背上生活的鴉鳥 (bird erget) 在犀牛 (rhinoceros) 背上生活的鳥 (ox pecker)

(ii) 互利共生 (Mutusalism) 雙方皆獲利益 維持終生及緊密的關係 例子: 豆科植物 + 固氮細菌 地衣 (lichen) = 單胞綠藻 + 真菌 居住在水螅細胞內的綠藻 居住在草食性動物腸道內的共生細菌 / 纖毛蟲

(3) 寄生 (Parasitism) 寄生生物 (parasite) 寄主 (host) 例子 : 獲取食物供應、居所、及保護 ↓食物供應、危害身體健康 例子 : 居住在人腸道內的絛蟲 附生在莖上的菟絲子 (Dodder)

演替 / 生態演替 (Sucession / Ecological Succession) 是生態系內的群落隨時間而變化，經過連串取代而最終形成一頂極群落的現象 每階段稱為演替系列階段 (seral stage)，而其時的群落稱為演替系列群落 (seral community) 新介入的品種非常適應在該生境中生活，甚至最終取代現居的生物而成為該生態系內的主要物種，這系列的群落替代依次發生的次序稱為演替系列 (sere)

例子 – 在光禿石塊上發生的演替 演替系列 (sere) : 地衣群落 (lichen community) 藻及苔蘚群落 (algae & mosses community) 草本植物群落 (herbs community) 灌木群落 (shrubs community) 樹木群落 (trees community) 演替系列 (sere) : 地衣  藻及苔蘚  蕨及草本植物  灌木  *樹木 (頂極群落)