欢迎来到生态系统的奇妙世界！

同学们，你们好！准备好深入探索生物科中最引人入胜的课题之一了吗？在这一章，我们将会探讨生态系统。你可以想像自己像一个侦探般，揭开生物之间如何互相影响、以及如何与它们的环境互动的奥秘。了解生态系统超级重要，因为它可以帮助我们看到地球生命的宏观图，以及为何我们需要保护我们美丽的地球。不用担心如果一开始有些概念很庞大，我们会将所有概念拆解成易于理解的部分。事不宜迟，立即开始吧！


1. 由单一生物体到整个世界

要了解生态系统，我们首先需要知道生态学家如何将生物世界划分成不同的层次。就像你在电脑整理文件夹般，由小到大！

组织层次

想像你正在池塘里面看着一条鱼。这个就是我们的起点。

  • 物种 (Species): 一群相似的生物体，可以互相繁殖并产生有繁殖能力的后代。例如，所有小丑鱼都属于一个物种。

  • 种群 (Population): 在特定区域在同一时间内生活的所有单一物种的成员。例如，在一个珊瑚礁里面生活的所有小丑鱼。

  • 群落 (Community): 在同一区域内生活以及互相影响的所有不同物种的各种种群。例如，小丑鱼、珊瑚、海葵以及海龟全部在珊瑚礁里面一起生活。它是整个生物部分！

  • 生态系统 (Ecosystem): 生物体（所有生物）与它们的非生物环境（例如水、阳光和岩石）互相影响而组成的群落。例如，整个珊瑚礁群落再加上水、阳光、温度以及沙粒。

  • 生物圈 (Biosphere): 地球上所有生命存在的部分。它是我们地球上所有生态系统的总和！
环顾香港

我们很幸运，在香港就有这么多不同种类的生态系统！课程要求你欣赏这种多样性，当中包括：

  • 淡水溪流（例如：大埔滘自然护理区）
  • 石滩／岩岸（例如：鹤咀）
  • 红树林（例如：米埔自然保护区）
  • 草地和林地（例如：我们的郊野公园）
重点提要

你可以想像它就像地址般：一个物种就像一个人。一个种群是它家里面的一家人。一个群落是整个社区里面的所有家庭。一个生态系统就是社区再加上家、马路以及天气。


2. 生态系统有什么？生物和非生物部分

每个生态系统都有两大类主要组成部分，它们互相合作。就像一出舞台剧般——有演员（生物）以及布景（非生物）。

非生物部分：非生物因素

非生物因素是环境中非生物的化学和物理部分，它们会影响生物体。它们为生命提供舞台。

  • 光照强度 (Light intensity): 影响光合作用的速率。通常来说，更多光照意味着更多植物生长。
  • 温度 (Temperature): 影响新陈代谢反应的速率（例如酶的活性！）。大多数生物都有它们适合生存的最佳温度范围。
  • 水 (Water): 对所有生命都至关重要。湿度（空气中的水分）和盐度（水中的盐分）等因素决定了哪些生物可以在哪里生活。
  • 酸碱度 (pH): 土壤和水的酸性或碱性。它可以影响养分的可用性以及酶的功能。
  • 氧气 (Oxygen): 对需氧呼吸至关重要。水中溶解氧的量对水生生物来说非常重要。

生物群落：生物因素

生物因素是生态系统内所有的生物体。这包括由最小的细菌到最大的树木。

栖息地 vs. 生态位：一个生物体的住址和职责

这两个术语经常被人混淆，但它们其实很不一样。不用担心，这里有一个简单的方法去记住它们！

  • 栖息地 (Habitat): 这就是一个生物体生活的地方。它是它的“住址”。例如，熊猫的栖息地是竹林。

  • 生态位 (Niche): 这是一个生物体在它的生态系统里面所扮演的角色或“职责”。它包括它吃什么、有什么生物吃它、它的行为模式，以及它如何影响周围的环境。例如，熊猫的生态位包括吃竹叶、散播种子，以及作为捕食者（如果有的话）的食物来源。

记忆小贴士： 栖息地是居所 (Habitat is the Home)。生态位是生计 (Niche is the Nine-to-five job)。

物种多样性与优势物种
  • 物种多样性 (Species diversity): 衡量一个群落中不同物种数量的指标。高多样性通常意味着一个更健康、更稳定的生态系统。
  • 优势物种 (Dominant species): 在一个群落中数量最多或者生物量最高的物种。例如，松树可能是松树林的优势物种。
重点提要

生态系统是非生物因素（例如阳光和水）以及生物群落之间一个微妙的平衡。每个生物体都有它的栖息地（住址）以及生态位（职责）。


3. 生命的互动剧：生物之间如何互相影响

在任何群落里面，生物体都是不断互相影响的。这些关系对于生态系统的平衡来说至关重要。

  • 捕食 (Predation) (+/-): 一个生物体（捕食者）追捕并杀死另一个生物体（猎物）。例子：一条蛇（+）吃一只老鼠（-）。

  • 竞争 (Competition) (-/-): 当两个或更多生物体需要相同的有限资源（例如食物、水或空间）时。它们都受到负面影响，因为它们要分享资源。例子：两只狮子为了争夺猎物而打斗。

  • 寄生 (Parasitism) (+/-): 一个生物体（寄生生物）生活在另一个生物体（宿主）身上或体内，并伤害它。寄生生物获得食物以及栖身之所。例子：一只蜱虫（+）在狗只身上吸血（-）。

  • 互利共生 (Mutualism) (+/+): 一种两种生物体都受惠的关系。这是一个“双赢”的局面！例子：蜜蜂（+）从花朵那里采集花蜜，而花朵（+）则得到授粉。

  • 偏利共生 (Commensalism) (+/0): 一种生物体受惠，而另一种则没有受损亦没有受益（它是中立的）。例子：一只小鸟（+）在树上筑巢（0）。小鸟得到一个家，而树木没有受影响。
重点提要

生物之间的关系界定了群落的结构。它们的关系由有害（捕食、竞争）到互利（互利共生）都有。


4. 谁吃谁？能量流动

能量是生命的燃料，它在生态系统中单向流动。那么，一切从何开始呢？

能量来源

对于地球上几乎所有生态系统来说，最终的能量来源都是太阳。

能量流动中的角色

  • 生产者 (Producers) (自养生物 Autotrophs): 它们是“厨师”。它们自己制造食物，通常透过光合作用，将光能转化为化学能。例子：植物、藻类。

  • 消费者 (Consumers) (异养生物 Heterotrophs): 它们是“顾客”。它们透过进食其他生物来获取能量。
    • 初级消费者: 吃生产者的草食动物。（例如：兔子吃草）
    • 次级消费者: 吃初级消费者的肉食动物或杂食动物。（例如：蛇吃兔子）
    • 三级消费者: 吃次级消费者的肉食动物或杂食动物。（例如：老鹰吃蛇）

  • 分解者 (Decomposers): 它们是至关重要的“清洁大队”。它们分解死亡有机物（死亡植物、动物、排泄物），并将养分归还土壤。这对循环利用至关重要！例子：细菌和真菌。

能量流动的图谱：食物链和食物网

  • 一条食物链 (Food Chain) 显示简单、单一的能量流动途径。箭头显示能量传递的方向（由被吃的生物指向吃它的生物）。
    例子：草 → 兔子 → 狐狸 → 狼

  • 一个食物网 (Food Web) 更为真实。它由许多相互链接的食物链组成，并显示生态系统中复杂的摄食关系。

常见错误提醒！ 食物链的箭头方向永远要由被吃的生物指向吃它的生物。箭头代表“被...吃”，并显示能量的去向！

能量损耗问题：10%法则

当能量从一个营养级 (trophic level)（摄食层次）传递到下一个营养级时，大量能量会流失！从一个营养级转移到下一个营养级的能量，只有大约10%的能量会被储存。其余90%则主要以热能形式在呼吸作用中流失，或者没有被吃到，又或者没有被消化。

这就是为何食物链通常都很短（4-5个营养级）的原因。因为根本没有足够能量去支持更多营养级！

生态系统的视觉化呈现：生态金字塔

生态学家利用金字塔来表示营养级之间的关系。

  • 数量金字塔 (Pyramid of Numbers): 显示每个营养级个体生物的总数。底部永远是生产者。它通常是金字塔形状，但有时可能是倒转的。例如，一棵大型橡树（生产者）可以支持数千只毛虫（初级消费者）。

  • 生物量金字塔 (Pyramid of Biomass): 显示每个营养级所有生物的总干重（生物量）。这可以更好地显示每个营养级可用的能量，而且几乎总是呈现真正的金字塔形状。
重点提要

能量在生态系统中流动，由太阳开始。它透过食物链传递，但每一步约有90%的能量会流失。这种流动可以利用数量金字塔和生物量金字塔来视觉化呈现。


5. 大自然的循环：物质的重用

不同于能量的单向流动和损耗，碳和氮等重要物质在生态系统中是循环的。分解者就是这个过程的超级巨星！

碳循环

碳是生命的基本构成元素。它的循环过程如下：

  1. 光合作用 (Photosynthesis): 生产者（植物）从大气中吸收二氧化碳（CO₂），并用来制造有机化合物（食物）。
  2. 摄食 (Consumption): 动物透过吃植物或其他动物来获取碳。
  3. 呼吸作用 (Respiration): 所有生物（植物、动物、分解者）都透过呼吸作用将二氧化碳（CO₂）释放回大气。
  4. 分解作用 (Decomposition): 分解者分解死亡的生物，释放它们体内的碳。其中一部分碳会透过它们的呼吸作用以二氧化碳形式释放。
  5. 燃烧作用 (Combustion): 人类燃烧化石燃料（即古代被压缩的有机物），向大气释放大量二氧化碳。

氮循环

氮对制造蛋白质和DNA至关重要。但空气中的氮气（N₂）对大多数生物来说是不可用的。它需要由特殊细菌来“固定”。不用担心，这看起来很复杂，但让我们集中看看当中的主要角色吧。

  • 固氮作用 (Nitrogen Fixation): 固氮细菌（在土壤或植物根部）将空气中不可用的氮气转化为可用的化合物，例如氨。
  • 硝化作用 (Nitrification): 土壤中的硝化细菌将氨转化为硝酸盐，这是植物透过根部吸收氮的最佳形式。
  • 同化作用 (Assimilation): 植物从土壤中吸收硝酸盐来制造蛋白质。动物再透过吃植物来获取氮。
  • 分解作用 (Decomposition): 分解者分解死亡的生物和排泄物，将氮化合物归还土壤。
  • 反硝化作用 (Denitrification): 反硝化细菌将土壤中的硝酸盐转化回为氮气，然后返回大气。

你知道吗？分解者是物质循环中最重要的一环。如果没了它们，养分会被锁在死亡有机物中，生命就停滞不前了！

重点提要

碳和氮等重要物质在生态系统中不断循环。细菌和真菌（分解者）在分解死亡有机物和让这些养分再次可被利用方面扮演关键角色。


6. 生态系统如何随时间变化：演替

生态系统不是静态的；它们会随时间透过一个可预测的过程而变化，这个过程叫做生态演替 (ecological succession)。

从零开始：初级演替

这发生在之前没有生命或土壤存在的地方。想像火山爆发后的裸露岩石。

  1. 先锋物种 (Pioneer Species): 耐受力强的物种，例如地衣和苔藓是第一批到达的生物。它们可以在裸露岩石上生长。
  2. 土壤形成 (Soil Formation): 先锋物种慢慢分解岩石，当它们死亡并分解时，就会形成第一层薄薄的土壤。
  3. 拓殖 (Colonisation): 随着土壤变得更肥沃，较大的植物像草和灌木可以生长。它们会吸引昆虫和小型动物。
  4. 成熟 (Maturation): 经过数百年甚至数千年，较大的树木会进驻，生态系统最终演变成一个稳定、成熟的森林。

重新恢复：次级演替

这发生在原有群落因干扰（例如森林大火或伐木）而被清除，但土壤仍然完整无缺的地方。

由于土壤已经存在，次级演替比初级演替快得多。草类和杂草会迅速重新生长，然后是灌木和树木。

最终阶段：高潮群落

这是演替的最终、稳定阶段。一个高潮群落 (climax community) 是成熟的，物种多样性高，而且除非有另一次重大干扰，否则随时间变化不大。

重点提要

生态系统透过演替随时间发展和变化。初级演替由裸露岩石开始，而次级演替则是一个较快的恢复过程，因为土壤已经存在。


7. 我们在生态系统中的角色：野外考察与保育

作为生物学家，我们需要工具来研究生态系统。这帮助我们了解它们，并找出如何保护它们的方法。

做个生态侦探：研究栖息地

要数尽栖息地中的每一个生物是不可能的，所以我们会用采样方法 (sampling methods) 来估计。

  • 样方采样法 (Quadrat Sampling): 一个样方 (quadrat) 是一个已知面积（例如1平方米）的方形框。要估计植物的种群数量，你将样方在一个区域随机放置几次，每次数数样方内植物的数量，然后计算平均值。这个方法非常适合植物和缓慢移动的动物。

  • 样线采样法 (Transect Sampling): 一条样线 (transect) 是一条线（像卷尺般），它会铺在栖息地上面。它用来研究生物分布如何随环境梯度变化。
    • 在直线样线 (line transect) 里面，你会记录所有接触到线的生物。
    • 在带状样线 (belt transect) 里面，你沿样线以固定间距放置样方，以获取更多数据。

  • 测量非生物因素: 我们会用科学仪器来测量非生物条件，例如测光表（光照强度）、酸碱度计（酸碱度）、温度计（温度）等等。

我们的影响与保育的必要性

人类活动正对全球生态系统造成巨大影响。这导致了栖息地破坏、污染和生物多样性丧失。因此，保育——保护和管理地球的生物多样性与生态系统——是一个迫切的需要。

透过了解生态系统如何运作，我们可以做出更好的决定，为后代保护它们。

重点提要

我们会用采样技术，例如样方和样线，来研究种群和群落。这些数据帮助我们了解人类活动的影响，并突显了保育的迫切性。