學習筆記：B15 & B16 生物與環境及人類對生態系統的影響（Combined Science 0653）

歡迎來到生物學中最有趣的章節之一！在這裡，我們將探索生物如何與彼此及周遭環境相互作用，從而建立起複雜的「生態系統」。了解這些內容，能讓我們看清人類對地球造成的巨大影響，以及我們如何盡一分力去保護它。讓我們一起深入探索生態學的迷人世界吧！

B15.1 生物系統中的能量流動

生態系統中的每一項活動，從植物生長到獅子狩獵，都需要能量。而幾乎所有這些能量的源頭，都是太陽！

主要的能量來源
  • 太陽是生物系統能量輸入的主要來源。
  • 植物（生產者）會在光合作用過程中捕獲這些光能。
能量的傳遞與流動

能量在生物體內單向流動：

光能（來自太陽）
↓
化學能（儲存在生物體內，例如：葡萄糖）
↓
傳遞到環境中（最終以熱能形式散失）

重點總結：能量由生產者捕獲，隨後通過攝食進行傳遞，但每次能量轉移時，都會有一部分以熱能形式散失。這意味著生態系統需要持續不斷地從太陽獲取能量。

B15.2 食物鏈與食物網

攝食關係展示了能量和營養物質如何在不同生物之間流動。

定義生態系統中的角色

在建立食物鏈之前，我們需要了解基本的角色：

1. 生產者 (Producer)

  • 能自行製造有機營養物質（食物）的生物。
  • 它們通常通過光合作用利用太陽光能（例如：草、樹木、藻類）。

2. 消費者 (Consumer)

  • 通過捕食其他生物來獲取能量的生物。
  • 消費者根據其食物來源進行分類：
    • 草食性動物 (Herbivore)：只吃植物以獲取能量的動物（例如：兔、牛）。
    • 肉食性動物 (Carnivore)：只吃其他動物以獲取能量的動物（例如：獅子、鷹）。
    • 雜食性動物 (Omnivore)：（核心課程雖未要求，但可作為參考背景）同時進食植物和動物的動物（例如：人類）。

3. 分解者 (Decomposer)

  • 從已死或廢棄的有機物質中獲取能量的生物。
  • 分解者至關重要，因為它們能分解廢物，將營養物質重新循環回到土壤中（例如：細菌、真菌）。
食物鏈與營養級

食物鏈 (Food chain)展示了能量從一個生物轉移到下一個生物的過程，並以生產者作為起點。

例子：
草 → 兔 → 狐狸

消費者根據其在鏈中的位置進行分組：

  • 初級消費者 (Primary Consumer)：進食生產者（例如：兔）。它們必然是草食性動物。
  • 次級消費者 (Secondary Consumer)：進食初級消費者（例如：狐狸）。
  • 三級消費者 (Tertiary Consumer)：進食次級消費者（例如：捕食狐狸的更大型掠食者）。

記憶小撇步：可以將「初級」理解為「第 1 級」消費者。

食物網

食物網 (Food web)是由互相關聯的食物鏈組成的網絡。在現實生活中，大多數動物會進食多於一種食物，因此它們會交織成一張網。

為什麼食物網很重要？食物網比單一食物鏈穩定得多。如果某種食物來源消失（例如因疾病），動物可以轉而尋找其他來源。

補充：人類對食物網的影響

人類的行為會嚴重影響食物網，導致生態系統失衡：

  1. 過度捕撈：如果人類對某種物種（例如：吞拿魚）進行過度捕撈或獵殺，可能會導致其獵物數量激增，同時其天敵數量驟減，進而破壞整個食物網的穩定性。
  2. 引入外來物種：將非本土物種（入侵物種）引入棲息地會擾亂食物網，因為這些新物種可能沒有天敵，或會與原生種競爭食物。例如，將外來老鼠引入島嶼可能導致當地地面築巢鳥類的滅絕。
快速複習：食物網中的角色

1. 草（生產者）

2. 鹿（初級消費者／草食性動物）

3. 狼（次級消費者／肉食性動物）

B15.3 碳循環

碳是所有生命必需的元素。碳循環 (Carbon cycle)描述了碳如何在空氣、水、土地和生物體之間流動。你需要掌握六個關鍵過程：

碳循環的過程
  1. 光合作用：（將 CO2 移出大氣層。）植物和藻類利用空氣/水中的二氧化碳製造葡萄糖。
  2. 呼吸作用：（將 CO2 送入大氣層。）所有生物（植物、動物、微生物）分解含碳分子（如葡萄糖）以釋放能量，並產生 CO2 作為廢物。
  3. 攝食：（在生物之間轉移碳。）當消費者進食生產者時，植物中的碳原子就成為動物身體的一部分。
  4. 分解作用：（將 CO2 送入大氣層。）分解者（如細菌和真菌）分解死亡生物和廢物，通過它們的呼吸作用將碳釋放回大氣層。
  5. 化石燃料的形成：未經完全分解（由於缺乏氧氣或壓力）的生物遺骸中的碳，在數百萬年間被深埋在地底（形成煤、石油和天然氣）。這是一個緩慢的儲存過程。
  6. 燃燒：（迅速將 CO2 送入大氣層。）燃燒含碳物質（如木材、化石燃料或生物質）會將儲存的碳以 CO2 的形式釋放回大氣層。

你知道嗎？碳循環的平衡至關重要。當人類燃燒大量化石燃料（燃燒過程）時，我們釋放了數百萬年前儲存的碳，這打破了自然平衡並增加了大氣中的 CO2 含量。

類比：碳銀行帳戶

將大氣層想像成一個碳的銀行帳戶。
光合作用是「提款」（將 CO2 取出）。
呼吸作用和燃燒是「存款」（將 CO2 存入）。
化石燃料就像一個鎖住的保險箱，碳在裡面被長期儲存。燃燒它們就等於迅速清空了這個保險箱！

B16.1 人類影響：棲息地破壞

人類的行為常會改變或摧毀自然環境，這對居住在其中的生物造成了嚴重後果。

定義環境
  • 生態系統：包含生物群落（所有生物）及其環境（非生物因素），它們共同相互作用的整體。
  • 生物多樣性：棲息地中物種的多樣性數量。高生物多樣性意味著一個健康、穩定的生態系統。
棲息地破壞的原因

人類因以下原因破壞棲息地：

  1. 擴大住宅、農作物種植及畜牧業的用地：我們需要土地來居住和生產食物，這往往需要砍伐森林或開墾濕地。
  2. 開採天然資源：採礦、採石和鑽探都需要破壞大片土地。
  3. 淡水及海洋污染：污染物進入河流和海洋，殺死生物並摧毀水生生態系統（例如：漏油、塑膠廢料）。
案例研究：森林砍伐 (Deforestation)

森林砍伐是指大規模的砍伐和清除森林行為。

森林砍伐的不良影響包括：

  • 減少生物多樣性：許多依賴森林棲息地的物種無法在其他地方生存，導致獨特的動植物物種消失。
  • 滅絕：如果某個物種僅棲息於特定森林，棲息地的喪失將直接導致該物種滅絕。
  • 土壤流失（侵蝕）：樹根能固定土壤。當樹木被移除後，強降雨會沖走表層土壤，使土地變得貧瘠。
  • 洪水：森林能吸收大量水分。失去樹木後，雨水會迅速在地面流過，增加下游河流洪水的風險。
  • 大氣中二氧化碳增加：樹木通過光合作用吸收 CO2。砍伐（並常伴隨燃燒）森林會釋放 CO2，助長全球暖化。

重點總結：森林砍伐是棲息地破壞的主要案例，對土壤、水循環和氣候產生了一連串的負面連鎖反應。

B16.2 自然保育

自然保育 (Conservation)是指對自然資源和物種的保護與明智管理。

物種為何瀕危或滅絕（核心內容）

生物因以下原因成為瀕危物種（滅絕風險極高）或滅絕（不再存在）：

  • 氣候變化：氣溫與天氣模式的改變會摧毀棲息地或食物來源。
  • 棲息地破壞：如 B16.1 所述，為人類用途而開墾土地。
  • 狩獵與過度採集：捕殺動物或採集植物的速度超過了它們的繁殖速度。
  • 污染：有毒物質使生物中毒或摧毀其環境。
  • 引入物種：非本土物種與原生生物競爭或捕食原生生物。

如果覺得這些內容有點難，別擔心！核心概念在於：人類活動往往對自然系統施加了過大的壓力。

自然保育的方法（補充內容）

保育人士採取多種策略來保護瀕危物種：

  1. 監測並保護物種與棲息地：包括建立國家公園或保護區、使用電子追蹤裝置，以及積極巡邏以防止非法捕獵（盜獵）。
  2. 教育：向大眾普及生物多樣性、保育的重要性以及可持續發展的做法，從而激勵社區主動保護當地的生態系統。
  3. 人工繁殖計劃：在受保護的環境（如動物園或特殊設施）中進行繁殖，以提高物種數量，並在適合時將它們放歸野外。這能確保物種不會完全消失。
  4. 種子庫：將來自各種植物的種子儲存在特殊的溫控保險庫中。這作為植物防止滅絕的「保險政策」。

重點總結：自然保育不僅需要保護物理環境，還需要通過各種科學和教育計劃，主動管理受到威脅的物種。

恭喜你完成了生態學部分的學習！請記住，這些筆記內容是相互關聯的：能量流動定義了食物網，而人類的干預（如燃燒化石燃料或砍伐森林）同時影響了碳循環與整體的生物多樣性。請繼續複習這些關鍵術語！