Organisms and their environment

各位 IGCSE 科學家，大家好！歡迎來到「生物與環境」單元

本單元（B18 與 B19）將帶領我們走出細胞，深入我們周遭的世界。我們將探索生態學 (Ecology)——研究生物（organisms）如何與彼此及其周遭環境（environment）相互作用的科學。

理解這些互動至關重要。它能讓我們明白能量如何流動以維持生命運作，更重要的是，人類的行為如何影響地球。如果大生態系統對你來說有點複雜，別擔心；我們將透過清晰的定義和易懂的例子，把它拆解得清清楚楚！

B18：生物系統中的能量流動

B18.1 能量來源

維持生命的所有能量究竟從哪裡來呢？

絕大多數生物系統的能量輸入都始於太陽 (Sun)。

• 太陽提供光能 (light energy)。
• 植物（及其他生產者）在光合作用 (photosynthesis)過程中捕捉這些光能，並將其轉化為化學能 (chemical energy)（儲存在葡萄糖/碳水化合物中）。
• 當生物互相捕食時，這些化學能便會隨之傳遞。
• 最終，所有這些能量通常會以熱能 (heat energy)的形式釋放到環境中，而這些熱能會流失且無法再被循環利用。

B18.2 食物鏈與食物網

定義關鍵角色（生態系統中的成員）

要了解能量如何移動，我們需要知道生物在生態系統中扮演的角色：

1. 生產者 (Producer)：一種能製造自身有機養分（食物）的生物，通常利用光合作用吸收陽光能量。
   例子：草、樹木、藻類。
2. 消費者 (Consumer)：一種透過進食其他生物來獲取能量的生物。
3. 分解者 (Decomposer)：一種從死亡或廢棄有機物質（如落葉、死去的動物或糞便）獲取能量的生物。它們在養分循環中扮演關鍵角色。
   例子：細菌和真菌。

食物鏈 (核心)

食物鏈 (food chain) 顯示了能量從一種生物傳遞到另一種生物的過程，並始於生產者。

它使用箭頭 ($\rightarrow$) 來表示能量流動的方向（即「被……所食」）。

例子：
草 $\rightarrow$ 兔 $\rightarrow$ 狐狸

• 兔子吃草，因此能量從草流向兔子。

食物網 (核心)

食物網 (food web) 要真實得多！它是由多條相互交織的食物鏈所組成的網絡。大多數生物會捕食多種不同的物種，同時也被多種生物捕食。

想像一下，食物網就像一個複雜的族譜，顯示了生態系統中所有可能的餐點選擇。

消費者與營養級 (核心與補充)

生物在食物鏈或食物網中所處的位置稱為其營養級 (trophic level)。

• 營養級 1：生產者（永遠是植物/藻類）。
• 營養級 2：初級消費者（吃生產者）。這些是草食性動物 (herbivores)（吃植物的動物）。
• 營養級 3：次級消費者（吃初級消費者）。這些通常是肉食性動物 (carnivores)（吃其他動物的動物）。
• 營養級 4：三級消費者（吃次級消費者）。
• 營養級 5：四級消費者（吃三級消費者）。

你知道嗎？一種既吃植物又吃動物的動物被稱為雜食性動物 (omnivore)，它們可以佔據多個營養級！

B18.2 能量傳遞效率 (補充重點)

如果一隻老鼠吃了草，它能獲得草 100% 的能量嗎？遺憾的是，並不能！

從一個營養級到下一個營養級的能量傳遞效率極低。

通常，只有約 10% 儲存在一個營養級中的能量，會被傳遞並儲存在下一個營養級中。

為什麼能量傳遞效率低 (B18.2.13)？

能量在每個步驟中都會透過自然的生物過程而流失：

• 熱量流失：能量透過用於運動、生長和維持體溫的呼吸作用（有氧和無氧呼吸）而流失。這種熱能會傳遞給環境。
• 排泄物：能量在糞便（未消化的食物）和尿液（排泄）中流失。
• 未被進食的部分：能量儲存在消費者無法或未進食的生物部分（例如根、骨頭、毛皮）。

營養級的限制 (B18.2.14)

由於每次傳遞時都會損失大量能量（約 90%），食物鏈通常少於五個營養級。如果存在六或七個級別，頂級消費者從最初的生產者那裡獲得的能量將幾乎為零，這使得生存變得不可能。

效率與人類飲食 (B18.2.15)

理解這種能量損失有助於解釋為什麼某些飲食方式更有效率：

對人類來說，直接食用作物（初級消費者）比食用餵食過這些作物的牲畜（次級消費者）更具能量效率。

類比：想像影印一份文件。如果你影印原稿，內容很清晰（生產者 $\rightarrow$ 人類）。如果你影印影印本（生產者 $\rightarrow$ 牛 $\rightarrow$ 人類），大量的細節（能量）就會遺失。

如果我們直接吃小麥，我們就是初級消費者（第 2 級）。如果我們吃了一頭吃小麥的牛，我們就是次級消費者（第 3 級），而小麥 90% 的能量已經被牛消耗掉了！

B18.3 碳循環

碳循環描述了碳（生命的基本元素）如何在空氣、水、土地和生物體之間移動。它確保了碳被不斷地循環利用。

碳循環的過程 (核心)

你必須了解以下六個主要過程：

1. 光合作用：生產者（植物）從大氣中吸收二氧化碳 (\(\text{CO}_2\)) 來製造有機化合物（葡萄糖）。這個過程減少了大氣中的 \(\text{CO}_2\)。
2. 攝食：消費者吃掉生產者或其他消費者，將含碳化合物沿著食物鏈傳遞。
3. 呼吸作用：所有生物（生產者、消費者和分解者）透過分解有機化合物來釋放能量。此過程將二氧化碳 (\(\text{CO}_2\)) 釋放回大氣中。
4. 分解作用：分解者分解死亡的有機物質和廢棄物。此過程透過它們的呼吸作用釋放 \(\text{CO}_2\)。
5. 化石燃料的形成：古老植物和動物的有機物質有時會在數百萬年的壓力下被埋藏，形成化石燃料（煤、石油、天然氣）。這將碳從大氣中鎖定起來。
6. 燃燒：燃燒化石燃料（或木材）將儲存的碳以 \(\text{CO}_2\) 的形式釋放回大氣中。

B19：人類對生態系統的影響

B19.1 棲息地破壞

生態系統與生物多樣性 (核心)

在探討破壞之前，讓我們定義這些術語：

• 生態系統 (Ecosystem)：一個包含生物群落（所有生物）及其環境（所有非生物），並相互作用的單位。
  例子：森林、池塘，甚至是一小截腐爛的木頭。
• 生物多樣性 (Biodiversity)：生活在某一區域的不同物種數量。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 (核心)

人類活動往往導致自然棲息地遭到破壞，從而降低生物多樣性。主要原因包括：

1. 擴大生產面積：為房屋建設、農作物生產（耕作）和畜牧生產（放牧）清理土地。
2. 自然資源開採：採礦、採石和伐木會摧毀生態系統。
3. 污染：
   • 淡水與海洋污染：這會污染水體。（注意：考試不要求詳細描述優養化過程）。

森林砍伐：不良影響 (核心與補充)

森林砍伐 (Deforestation) 是大規模砍伐樹木。這是棲息地破壞的一個關鍵例子。

其不良影響（及補充部分的解釋）為：

1. 降低生物多樣性 / 物種滅絕：樹木提供了專業的棲息地和食物來源。移除它們會殺死或驅趕許多物種，導致生物多樣性減少，如果該物種在其他地方無法生存，可能會導致滅絕。
2. 土壤流失（侵蝕）：樹根將土壤固定在一起。當樹木被移除後，暴雨會將表土沖刷進河流（土壤侵蝕），使土地變得貧瘠，無法再利用。
3. 洪水：森林可以吸收大量水分。沒有了樹木，雨水會在地表迅速流動，增加進入河流的水量和速度，導致下游洪水。
4. 大氣中二氧化碳增加：
   • 樹木在光合作用過程中吸收大量的 \(\text{CO}_2\)（作為碳匯）。砍伐樹木會阻止這種吸收。
   • 如果樹木被焚燒或任其分解，儲存在其中的碳會以 \(\text{CO}_2\) 的形式釋放回大氣中，從而助長全球暖化。

B19.2 保護保育

生物為何變得瀕危或滅絕 (核心)

如果一個物種面臨滅絕的風險，它就被稱為瀕危 (endangered)。如果世界上任何地方都不再有該物種的個體，它就被稱為已滅絕 (extinct)。

導致瀕危的主要人為因素包括：

• 棲息地破壞（如上文所述）。
• 氣候變遷：溫度和降雨模式的改變使得現有的棲息地不再適合某些物種。
• 狩獵/偷獵：非法或過度狩獵導致種群數量降低到不可持續的水平。
• 過度捕撈/採集：從野外獲取過多的個體（特別是像魚類這樣的食用物種），速度超過了它們的繁殖速度。（這與 B18.2.10 有關）。
• 污染：將有害物質引入環境。
• 引入外來物種：由人類帶入生態系統的非本地（外來）物種。這些物種通常會與本土物種競爭、捕食它們，或將疾病引入本土物種，將它們推向滅絕。

如何保育瀕危物種 (核心)

保育旨在保護生物多樣性並停止滅絕。方法包括：

1. 監測和保護物種與棲息地：

   這包括建立國家公園或保護區、監測種群數量以及執行反偷獵法規。

2. 教育：

   向公眾和當地社區宣導生物多樣性和可持續發展實踐的重要性，以爭取對保育工作的支持。

3. 圈養繁殖計劃：

   在動物園或專門設施中繁殖瀕危動物，目標通常是在未來將它們放歸野外。

4. 種子庫：

   儲存稀有和重要植物物種的種子，以保護植物的遺傳多樣性，防止自然災害或野外滅絕的發生。