歡迎來到生態系統的奇妙世界！

同學們，你們好！準備好深入探索生物科中最引人入勝的課題之一了嗎？在這一章，我們將會探討生態系統。你可以想像自己像一個偵探般，揭開生物之間如何互相影響、以及如何與牠們的環境互動的奧秘。了解生態系統超級重要，因為它可以幫助我們看到地球生命的宏觀圖，以及為何我們需要保護我們美麗的地球。不用擔心如果一開始有些概念很龐大，我們會將所有概念拆解成易於理解的部分。事不宜遲，立即開始吧！


1. 由單一生物體到整個世界

要了解生態系統，我們首先需要知道生態學家如何將生物世界劃分成不同的層次。就像你在電腦整理文件夾般，由小到大！

組織層次

想像你正在池塘裡面看著一條魚。這個就是我們的起點。

  • 物種 (Species): 一群相似的生物體，可以互相繁殖並產生有繁殖能力的後代。例如，所有小丑魚都屬於一個物種。

  • 種群 (Population): 在特定區域在同一時間內生活的所有單一物種的成員。例如，在一個珊瑚礁裡面生活的所有小丑魚。

  • 群落 (Community): 在同一區域內生活以及互相影響的所有不同物種的各種種群。例如，小丑魚、珊瑚、海葵以及海龜全部在珊瑚礁裡面一起生活。它是整個生物部分！

  • 生態系統 (Ecosystem): 生物體（所有生物）與牠們的非生物環境（例如水、陽光和岩石）互相影響而組成的群落。例如，整個珊瑚礁群落再加上水、陽光、溫度以及沙粒。

  • 生物圈 (Biosphere): 地球上所有生命存在的部分。它是我們地球上所有生態系統的總和！
環顧香港

我們很幸運，在香港就有這麼多不同種類的生態系統！課程要求你欣賞這種多樣性，當中包括：

  • 淡水溪流（例如：大埔滘自然護理區）
  • 石灘／岩岸（例如：鶴咀）
  • 紅樹林（例如：米埔自然保護區）
  • 草地和林地（例如：我們的郊野公園）
重點提要

你可以想像它就像地址般：一個物種就像一個人。一個種群是它家裡面的一家人。一個群落是整個社區裡面的所有家庭。一個生態系統就是社區再加上家、馬路以及天氣。


2. 生態系統有什麼？生物和非生物部分

每個生態系統都有兩大類主要組成部分，牠們互相合作。就像一齣舞台劇般——有演員（生物）以及佈景（非生物）。

非生物部分：非生物因素

非生物因素是環境中非生物的化學和物理部分，牠們會影響生物體。牠們為生命提供舞台。

  • 光照強度 (Light intensity): 影響光合作用的速率。通常來說，更多光照意味著更多植物生長。
  • 溫度 (Temperature): 影響新陳代謝反應的速率（例如酶的活性！）。大多數生物都有牠們適合生存的最佳溫度範圍。
  • 水 (Water): 對所有生命都至關重要。濕度（空氣中的水分）和鹽度（水中的鹽分）等因素決定了哪些生物可以在哪裡生活。
  • 酸鹼度 (pH): 土壤和水的酸性或鹼性。它可以影響養分的可用性以及酶的功能。
  • 氧氣 (Oxygen): 對需氧呼吸至關重要。水中溶解氧的量對水生生物來說非常重要。

生物群落：生物因素

生物因素是生態系統內所有的生物體。這包括由最小的細菌到最大的樹木。

棲息地 vs. 生態位：一個生物體的住址和職責

這兩個術語經常被人混淆，但牠們其實很不一樣。不用擔心，這裡有一個簡單的方法去記住牠們！

  • 棲息地 (Habitat): 這就是一個生物體生活的地方。它是它的「住址」。例如，熊貓的棲息地是竹林。

  • 生態位 (Niche): 這是一個生物體在牠的生態系統裡面所扮演的角色或「職責」。它包括牠吃什麼、有什麼生物吃牠、牠的行為模式，以及牠如何影響周圍的環境。例如，熊貓的生態位包括吃竹葉、散播種子，以及作為捕食者（如果有的話）的食物來源。

記憶小貼士： 棲息地是居所 (Habitat is the Home)。生態位是生計 (Niche is the Nine-to-five job)。

物種多樣性與優勢物種
  • 物種多樣性 (Species diversity): 衡量一個群落中不同物種數量的指標。高多樣性通常意味著一個更健康、更穩定的生態系統。
  • 優勢物種 (Dominant species): 在一個群落中數量最多或者生物量最高的物種。例如，松樹可能是松樹林的優勢物種。
重點提要

生態系統是非生物因素（例如陽光和水）以及生物群落之間一個微妙的平衡。每個生物體都有牠的棲息地（住址）以及生態位（職責）。


3. 生命的互動劇：生物之間如何互相影響

在任何群落裡面，生物體都是不斷互相影響的。這些關係對於生態系統的平衡來說至關重要。

  • 捕食 (Predation) (+/-): 一個生物體（捕食者）追捕並殺死另一個生物體（獵物）。例子：一條蛇（+）吃一隻老鼠（-）。

  • 競爭 (Competition) (-/-): 當兩個或更多生物體需要相同的有限資源（例如食物、水或空間）時。牠們都受到負面影響，因為牠們要分享資源。例子：兩隻獅子為了爭奪獵物而打鬥。

  • 寄生 (Parasitism) (+/-): 一個生物體（寄生生物）生活在另一個生物體（宿主）身上或體內，並傷害牠。寄生生物獲得食物以及棲身之所。例子：一隻蜱蟲（+）在狗隻身上吸血（-）。

  • 互利共生 (Mutualism) (+/+): 一種兩種生物體都受惠的關係。這是一個「雙贏」的局面！例子：蜜蜂（+）從花朵那裡採集花蜜，而花朵（+）則得到授粉。

  • 偏利共生 (Commensalism) (+/0): 一種生物體受惠，而另一種則沒有受損亦沒有受益（它是中立的）。例子：一隻小鳥（+）在樹上築巢（0）。小鳥得到一個家，而樹木沒有受影響。
重點提要

生物之間的關係界定了群落的結構。牠們的關係由有害（捕食、競爭）到互利（互利共生）都有。


4. 誰吃誰？能量流動

能量是生命的燃料，它在生態系統中單向流動。那麼，一切從何開始呢？

能量來源

對於地球上幾乎所有生態系統來說，最終的能量來源都是太陽。

能量流動中的角色

  • 生產者 (Producers) (自養生物 Autotrophs): 牠們是「廚師」。牠們自己製造食物，通常透過光合作用，將光能轉化為化學能。例子：植物、藻類。

  • 消費者 (Consumers) (異養生物 Heterotrophs): 牠們是「顧客」。牠們透過進食其他生物來獲取能量。
    • 初級消費者: 吃生產者的草食動物。（例如：兔子吃草）
    • 次級消費者: 吃初級消費者的肉食動物或雜食動物。（例如：蛇吃兔子）
    • 三級消費者: 吃次級消費者的肉食動物或雜食動物。（例如：老鷹吃蛇）

  • 分解者 (Decomposers): 牠們是至關重要的「清潔大隊」。牠們分解死亡有機物（死亡植物、動物、排泄物），並將養分歸還土壤。這對循環利用至關重要！例子：細菌和真菌。

能量流動的圖譜：食物鏈和食物網

  • 一條食物鏈 (Food Chain) 顯示簡單、單一的能量流動途徑。箭頭顯示能量傳遞的方向（由被吃的生物指向吃牠的生物）。
    例子：草 → 兔子 → 狐狸 → 狼

  • 一個食物網 (Food Web) 更為真實。它由許多相互連結的食物鏈組成，並顯示生態系統中複雜的攝食關係。

常見錯誤提醒！ 食物鏈的箭頭方向永遠要由被吃的生物指向吃牠的生物。箭頭代表「被...吃」，並顯示能量的去向！

能量損耗問題：10%法則

當能量從一個營養級 (trophic level)（攝食層次）傳遞到下一個營養級時，大量能量會流失！從一個營養級轉移到下一個營養級的能量，只有大約10%的能量會被儲存。其餘90%則主要以熱能形式在呼吸作用中流失，或者沒有被吃到，又或者沒有被消化。

這就是為何食物鏈通常都很短（4-5個營養級）的原因。因為根本沒有足夠能量去支持更多營養級！

生態系統的視覺化呈現：生態金字塔

生態學家利用金字塔來表示營養級之間的關係。

  • 數量金字塔 (Pyramid of Numbers): 顯示每個營養級的個體生物總數。底部永遠是生產者。它通常是金字塔形狀，但有時可能是倒轉的。例如，一棵大型橡樹（生產者）可以支持數千隻毛蟲（初級消費者）。

  • 生物量金字塔 (Pyramid of Biomass): 顯示每個營養級所有生物的總乾重（生物量）。這可以更好地顯示每個營養級可用的能量，而且幾乎總是呈現真正的金字塔形狀。
重點提要

能量在生態系統中流動，由太陽開始。它透過食物鏈傳遞，但每一步約有90%的能量會流失。這種流動可以利用數量金字塔和生物量金字塔來視覺化呈現。


5. 大自然的循環：物質的重用

不同於能量的單向流動和損耗，碳和氮等重要物質在生態系統中是循環的。分解者就是這個過程的超級巨星！

碳循環

碳是生命的基本構成元素。它的循環過程如下：

  1. 光合作用 (Photosynthesis): 生產者（植物）從大氣中吸收二氧化碳（CO₂），並用來製造有機化合物（食物）。
  2. 攝食 (Consumption): 動物透過吃植物或其他動物來獲取碳。
  3. 呼吸作用 (Respiration): 所有生物（植物、動物、分解者）都透過呼吸作用將二氧化碳（CO₂）釋放回大氣。
  4. 分解作用 (Decomposition): 分解者分解死亡的生物，釋放牠們體內的碳。其中一部分碳會透過牠們的呼吸作用以二氧化碳形式釋放。
  5. 燃燒作用 (Combustion): 人類燃燒化石燃料（即古代被壓縮的有機物），向大氣釋放大量二氧化碳。

氮循環

氮對製造蛋白質和DNA至關重要。但空氣中的氮氣（N₂）對大多數生物來說是不可用的。它需要由特殊細菌來「固定」。不用擔心，這看起來很複雜，但讓我們集中看看當中的主要角色吧。

  • 固氮作用 (Nitrogen Fixation): 固氮細菌（在土壤或植物根部）將空氣中不可用的氮氣轉化為可用的化合物，例如氨。
  • 硝化作用 (Nitrification): 土壤中的硝化細菌將氨轉化為硝酸鹽，這是植物透過根部吸收氮的最佳形式。
  • 同化作用 (Assimilation): 植物從土壤中吸收硝酸鹽來製造蛋白質。動物再透過吃植物來獲取氮。
  • 分解作用 (Decomposition): 分解者分解死亡的生物和排泄物，將氮化合物歸還土壤。
  • 反硝化作用 (Denitrification): 反硝化細菌將土壤中的硝酸鹽轉化回為氮氣，然後返回大氣。

你知道嗎？分解者是物質循環中最重要的一環。如果沒有了牠們，養分會被鎖在死亡有機物中，生命就停滯不前了！

重點提要

碳和氮等重要物質在生態系統中不斷循環。細菌和真菌（分解者）在分解死亡有機物和讓這些養分再次可被利用方面扮演關鍵角色。


6. 生態系統如何隨時間變化：演替

生態系統不是靜態的；牠們會隨時間透過一個可預測的過程而變化，這個過程叫做生態演替 (ecological succession)。

從零開始：初級演替

這發生在之前沒有生命或土壤存在的地方。想像火山爆發後的裸露岩石。

  1. 先鋒物種 (Pioneer Species): 耐受力強的物種，例如地衣和苔蘚是第一批到達的生物。牠們可以在裸露岩石上生長。
  2. 土壤形成 (Soil Formation): 先鋒物種慢慢分解岩石，當牠們死亡並分解時，就會形成第一層薄薄的土壤。
  3. 拓殖 (Colonisation): 隨著土壤變得更肥沃，較大的植物像草和灌木可以生長。牠們會吸引昆蟲和小型動物。
  4. 成熟 (Maturation): 經過數百年甚至數千年，較大的樹木會進駐，生態系統最終演變成一個穩定、成熟的森林。

重新恢復：次級演替

這發生在原有群落因干擾（例如森林大火或伐木）而被清除，但土壤仍然完整無缺的地方。

由於土壤已經存在，次級演替比初級演替快得多。草類和雜草會迅速重新生長，然後是灌木和樹木。

最終階段：高潮群落

這是演替的最終、穩定階段。一個高潮群落 (climax community) 是成熟的，物種多樣性高，而且除非有另一次重大干擾，否則隨時間變化不大。

重點提要

生態系統透過演替隨時間發展和變化。初級演替由裸露岩石開始，而次級演替則是一個較快的恢復過程，因為土壤已經存在。


7. 我們在生態系統中的角色：野外考察與保育

作為生物學家，我們需要工具來研究生態系統。這幫助我們了解牠們，並找出如何保護牠們的方法。

做個生態偵探：研究棲息地

要數盡棲息地中的每一個生物是不可能的，所以我們會用採樣方法 (sampling methods) 來估計。

  • 樣方採樣法 (Quadrat Sampling): 一個樣方 (quadrat) 是一個已知面積（例如1平方米）的方形框。要估計植物的種群數量，你將樣方在一個區域隨機放置幾次，每次數數樣方內植物的數量，然後計算平均值。這個方法非常適合植物和緩慢移動的動物。

  • 樣線採樣法 (Transect Sampling): 一條樣線 (transect) 是一條線（像捲尺般），它會鋪在棲息地上面。它用來研究生物分佈如何隨環境梯度變化。
    • 在直線樣線 (line transect) 裡面，你會記錄所有接觸到線的生物。
    • 在帶狀樣線 (belt transect) 裡面，你沿樣線以固定間距放置樣方，以獲取更多數據。

  • 測量非生物因素: 我們會用科學儀器來測量非生物條件，例如測光錶（光照強度）、酸鹼度計（酸鹼度）、溫度計（溫度）等等。

我們的影響與保育的必要性

人類活動正對全球生態系統造成巨大影響。這導致了棲息地破壞、污染和生物多樣性喪失。因此，保育——保護和管理地球的生物多樣性與生態系統——是一個迫切的需要。

透過了解生態系統如何運作，我們可以做出更好的決定，為後代保護牠們。

重點提要

我們會用採樣技術，例如樣方和樣線，來研究種群和群落。這些數據幫助我們了解人類活動的影響，並突顯了保育的迫切性。