欢迎来到“生物分类与生物多样性”！

你有没有试过逛超市时，注意到货品都整齐有序地排列在不同货架上？早餐谷物放在一处，乳制品在另一处，而新鲜果蔬则有独立的分区。想象一下，如果苹果跟洗发水和冷冻披萨混在一起，那会多么混乱！科学家同样面对着类似的挑战：地球上有数以百万计不同的生物。为了厘清这个庞大而丰富的生命世界，科学家将生物分门别类。这个过程称为分类（Classification），而地球上多样化的生命形态则统称为生物多样性（Biodiversity）。

在这一章，我们会一起探讨为什么将生物分门别类如此重要、我们如何鉴定未知的生物、生物多样性的真正含义，以及我们该如何测量和保护它。如果一开始觉得内容很多，不用担心——我们会循序渐进地拆解每个概念！

备注：有关物种如何随时间演变，请参阅“进化与自然选择”一章；有关生物如何在栖息地中相互作用，请参阅“生物与生态系统的相互作用”。

1. 什么是生物分类？为什么我们要进行分类？

生物分类（Classification）是指根据生物的共同特征、形态结构以及进化亲缘关系，将生物归纳整理为不同组别的科学方法。

为什么科学家要为生物分类？

科学家将生物分类有几个关键原因：

• 秩序与系统化：建立全球通用的系统，让世界各地的科学家在研究同一种生物时不会产生混淆。
• 生物鉴定：帮助我们迅速而准确地辨认新发现的物种。
• 预测特征：若新发现的生物与已知组别具有相同特征，我们便能推测其生理结构、食性或栖息环境。
• 理解亲缘关系：有助于追溯不同生物之间的进化关系有多密切。

生活小比喻：想象一下你手机里的音乐播放列表。你可能会先按音乐类型（流行、摇滚、古典）分类，然后按歌手，再按专辑细分。生物分类在面对自然界时，采用的正完全是相同的逻辑！

重点摘要

分类学将数以百万计纷繁复杂的生物，根据共同特征梳理成一个井然有序、清晰易懂的系统。

2. 分类的阶元系统

科学家利用阶层系统（Hierarchical system）来组织生命体系。这意味着生命首先被划分为涵盖面极广的大组别，然后逐步细分为更小、更具体的次级组别，一直细分至单一物种。

分类阶元

由最大、涵盖范围最广的阶元，逐步细分至最具特异性的阶元：

1. 域（Domain）：所有生命中最广泛的分类范畴。
2. 界（Kingdom）：大型组别（例如动物界、植物界、真菌界）。
3. 门（Phylum）：根据主要身体基本结构特征分组的生物。
4. 纲（Class）：门以下的进一步细分。
5. 目（Order）：由亲缘关系相近的科组成的组别。
6. 科（Family）：由相近的属组成的组别。
7. 属（Genus）：由极为相近的物种组成的集合。
8. 种／物种（Species）：分类的基本单位。指一群能够互相交配并能产生具生殖能力后代的生物。

实用记忆口诀（Mnemonic）：
要记住由上而下的排列顺序，可以记住这句英文句子：
Dear King Philip Came Over For Good Soup!
（Domain 域、Kingdom 界、Phylum 门、Class 纲、Order 目、Family 科、Genus 属、Species 种）

生物命名：双名法

日常俗名往往容易引起混乱。举例来说，同一种动物，有人称之为“美洲狮”（mountain lion），有人叫它“美洲金猫”（cougar），也有人称之为“美洲豹”（puma）。它们其实是完全同一种动物！为了避免误解，科学家采用了一套由两个词组成的命名系统，称为双名法（Binomial nomenclature）。

• 第一个词是属名（Genus），首字母必须大写。
• 第二个词是种加词（species），首字母必须小写。
• 两个词印刷时均须使用斜体（若是手写则须加上下划线）。
• 例子：人类的学名是 Homo sapiens。在这里，Homo 是我们的属名，而 sapiens 是我们的种加词。

常见错误提醒

千万不要将种加词的首字母大写！写成 Homo Sapiens 是不正确的，正确写法永远是 Homo sapiens。

重点摘要

生物由最广泛的“域”一路分类至个别的“种”。每个物种都有一个由“属名”和“种加词”组成的独特双名化学名。

3. 鉴定生物的工具：二歧检索表

当生态学家在野外发现未知的植物或昆虫时，他们是如何辨别其身份的？他们会使用一种称为二歧检索表（Dichotomous key）的工具。

英文“dichotomous”一词源自希腊语，意思是“一分为二”。二歧检索表是一份由一对对互相排斥且可观察的特征选择（通常为陈述句或问题）所组成的指引。在每一步中，你观察标本，选择符合特征的描述，然后沿着提示继续操作，直到成功鉴定出该生物为止。

使用及构建二歧检索表的原则

• 使用清晰、可直接观察的身体特征：专注于可以直接观察的特征，例如“有6只脚”对比“有8只脚”，或“叶缘平滑”对比“叶缘呈锯齿状”。
• 避免模糊或主观的描述：切勿使用相对性陈述，例如“体型大”或“外观美丽”。对某人来说是“大”的特征，对另一个人来说可能显得“小”！相反，应使用可测量的特征，例如“体长大于 \(5\text{ cm}\)”。
• 每一步必须提供两个对立的选择：每一步都必须将余下的组别明确地划分为两个独立分支。

范例：鉴定四种花园小动物

假设你有四种生物：蚯蚓、蜘蛛、蚂蚁和蜗牛。

步骤 1：
a) 生物具有分节的附肢（足） ................................. 前往步骤 2
b) 生物没有分节的附肢（足） ................................. 前往步骤 3

步骤 2：
a) 有6只脚 ............................................................. 蚂蚁
b) 有8只脚 ............................................................. 蜘蛛

步骤 3：
a) 具有坚硬的外壳 ................................................. 蜗牛
b) 没有坚硬的外壳 ................................................. 蚯蚓

重点摘要

二歧检索表利用成对对立、可观察的特征选项，按部就班地引导你准确鉴定未知生物。

4. 认识生物多样性

生物多样性（Biodiversity，即 biological diversity）是指在特定区域内或整个地球上，所有生命形式的多样化程度。

生物多样性的三个层次

科学家从三个不同层次来探讨生物多样性：

1. 栖息地（或生态系统）多样性：一个区域内不同栖息地或生态系统的范围与种类（例如森林、湖泊、珊瑚礁、草地）。拥有丰富多样栖息地的地区，能孕育更繁多的生命形式。
2. 物种多样性：一个群落中不同物种的数量及其相对丰度。这包括两大要素：
    • 物种丰富度（Species richness）：该区域内存在的物种总数目。
    • 物种均匀度（Species evenness）：各物种个体数量分布的平均程度。
3. 遗传多样性：单一物种或种群内遗传特征与变异的范围。遗传多样性高的种群，面对疾病侵袭和环境变迁时的适应与恢复能力强得多。

为什么高度的生物多样性至关重要？

丰富的生物多样性对维持生态系统的稳定与健康不可或缺：

• 生态系统稳定性：拥有复杂交织物种网络的生态系统更具抗逆力。如果某个物种因病害或干旱而减少，其他物种可以填补其在食物网中的生态位。
• 人类资源宝库：植物和微生物为人类提供药物、多样化的粮食来源、天然纤维和清洁的饮用水。
• 生态系统服务：多样化的生态系统有助于调节气候、分解废物、进行养分循环，并为农作物授粉。

重点摘要

生物多样性涵盖生命的多个维度：种内的遗传变异、物种的丰富数量，以及生态系统的多样性。高度的生物多样性是生态系统具备抗逆力与稳定性的基石。

5. 探究生物多样性：科学探究技能（准则 B 与 C）

在 MYP 科学电子化评估（eAssessment）中，你经常需要设计探究实验、控制变量，并处理数据以测量生物多样性。

种群抽样：使用样方

科学家不可能数清整片森林或草地上每一株植物或移动缓慢的生物。相反，他们会利用样方（Quadrat）进行抽样——样方通常是一个已知大小的方框（例如 \(0.5\text{ m} \times 0.5\text{ m} = 0.25\text{ m}^2\) 或 \(1.0\text{ m} \times 1.0\text{ m} = 1.0\text{ m}^2\)）。

设计公平且具效度的抽样探究

在规划使用样方的探究实验时（准则 B）：

• 随机抽样（Random Sampling）：为了避免偏差，切忌只将样方放在植物看起来最茂盛的地方！可以使用两条卷尺作为坐标轴，在研究区域划出网格，然后使用随机数字生成器选出坐标 \((x, y)\)，再将样方放置在相应位置。
• 系统抽样（Systematic Sampling）：如果你想探究生物多样性如何沿着环境梯度变化（例如从徒步小道或河岸向外延伸），可沿着一条称为样线（Transect）的线，按固定间距放置样方。
• 控制变量：确保每次使用的样方大小一致、抽样在同一时间或季节进行，且在所有样本中计算个体数量的方法完全相同。
• 样本量：抽取足够数量的样本（例如 10 至 20 个样方），以确保数据具代表性和可靠性。

数据处理与转换（准则 C）

从样方收集到原始计数数据后，你必须通过计算统计摘要来转换数据：

• 每个样方的平均个体数：
\(\text{Mean} = \frac{\text{Total number of individuals counted}}{\text{Number of quadrats sampled}}\)
（平均值 \(=\) 计数到的个体总数 \(/\) 抽样的样方总数）

• 估算种群总数：
\(\text{Estimated Population} = \text{Mean count per quadrat} \times \frac{\text{Total area of the habitat}}{\text{Area of one quadrat}}\)
（估算种群总数 \(=\) 每个样方的平均数 \(\times\) [栖息地总面积 \(/\) 单个样方内部面积]）

范例示范：估算植物种群数量

一名学生探究学校球场上的蒲公英种群数量，球场尺寸为 \(40\text{ m} \times 50\text{ m} = 2000\text{ m}^2\)。
该生使用一个 \(1.0\text{ m}^2\) 的样方随机抽样 10 次，记录到的蒲公英数量分别为：4、6、3、5、7、4、5、6、3、7。

1. 计算蒲公英的计数总和：
\(4 + 6 + 3 + 5 + 7 + 4 + 5 + 6 + 3 + 7 = 50\text{ dandelions}\)（株蒲公英）

2. 计算每 \(1.0\text{ m}^2\) 样方的蒲公英平均数量：
\(\text{Mean} = \frac{50}{10} = 5.0\text{ dandelions per m}^2\)

3. 估算整个球场的种群总数：
\(\text{Total Population} = 5.0\text{ dandelions/m}^2 \times 2000\text{ m}^2 = 10\,000\text{ dandelions}\)（株蒲公英）

评估实验方法

在准则 C 中，你需要评估实验方法并提出改进建议：

• 局限性：10 个样方可能仅占广阔草地极小的一部分，容易导致抽样误差。
• 改进建议：增加抽样样方的数量（例如由 10 个增至 30 个），以提高平均值的可靠性。
• 局限性：生长在样方边界上的植物可能会被重复计算或遗漏。
• 改进建议：在开始前订立严格的计数规则（例如只计算触及顶部和右侧边框的植物，忽略底部和左侧边框的植株）。

重点摘要

要公平客观地测量生物多样性，科学家会使用样方等标准工具进行随机或系统抽样。将原始数据整理并计算平均值，使我们能够准确估算整体的种群数量。

6. 反思科学对社会的影响（准则 D）

生物分类与多样性研究并不局限于实验室内。它们直接影响人类社会如何管理环境、保护濒危物种，以及平衡经济发展需求。

现实生活中的应用

• 保护优先次序评定：科学家利用生物多样性数据找出“生物多样性热点”——即拥有极多特有物种但同时面临严重威胁的区域。政府随后可将这些地区划为自然保护区或国家公园。
• 监测生态系统健康：敏感物种（指示生物）的种群变化能对化学污染、栖息地退化或气候变化提供预警。
• 外来入侵物种管理：准确的分类能让边境生物安全部门在非本土物种入侵前将其拦截，防止它们破坏本地食物网并排挤本地原生种。

评估各方影响：不同因素的权衡

在准则 D 的作业中，你必须从多个角度探讨一项环境决策所带来的影响：

• 环境影响：设立保护区可防止栖息地遭受破坏、维护遗传多样性并维持健全的食物网。
• 经济影响：土地保护可能会限制农业、采矿或城市规划等商业发展，对当地的就业机会和经济收入造成影响。然而，这亦能通过生态旅游创造可持续的收入来源。
• 社会及文化影响：当地社区及原住民可能依赖周边生态系统获取粮食、延续文化习俗和传统智慧。有效的保护科学必须让这些社区共同参与，而非将他们排除在外。

重点摘要

科学为辨识生物多样性威胁提供了数据支持，但落实这些科学成果时，必须在环境效益与经济、社会及文化等各项因素之间取得平衡。

本章复习与自我检测

在学习下一章前，先测试一下自己对这些核心概念的理解：

1. 试定义“物种”（species）一词。
2. 一种动物的属名为 Panthera，种加词为 leo，试运用双名法规则正确写出其学名。
3. 试说明二歧检索表中各项描述特征的基本编写原则。
4. 试分辨物种丰富度（species richness）与物种均匀度（species evenness）。
5. 试解释利用样方测量生物多样性时，为何必须采取随机抽样。
6. 设立自然保护区时，必须权衡各项因素，试指出其中一项经济因素及一项环境因素。