手机剪切音乐:生命科學概論

生態系統的運作

生態系統

生物所棲息的特定空間整體我們可以稱為生態系統（ecosystem），裡面包括非生物的因素（abiotic factors），例如能量、溫度、水、火、空氣、重力、地形、地層、土壤等，也包括有生命的成員（biotic factors），如動物、植物、微生物等。這些生物和非生物的因素相互之間，交錯複雜地形成了生態系統（圖4-2）。以整個地球來說，生物所生存的環境又叫生界（biosphere），生界的範圍是水平面以上五英哩的陸空和水平線以下七英哩的海底，也就是上下的十二英哩的範圍。而事實上，地球上百分之九十五的生物都棲息在水平線以上九千五百呎高和地平線下三百呎深的狹窄範圍之內。在這個生界裡，孕育和供養了包括人類在內的一百多萬種的生物（圖4-3）。

每種生物都有其最適合生存的條件與範圈，例如在深海習慣高海水壓力下的游魚，抓到海平面便不能忍受。有些微生物更需要精確的酸鹼度、營養與空氣組成才能生長呢？

食物鏈（food chain）

在生界當中，所有的能都是從太陽來的，而補捉陽光便是綠色植物和能行光合作用的微生物和藻類所負責，這些生物便自然而然的成為生界中食物的生產者（producers）（圖4-4），稱他們是其他生物的食物供應者。其他生物以消費這些生產者過活，所以稱為消費者（consumers），消費者也分幾個層次，例如牛、羊、昆蟲等直接採食植物或行光合作用之生物，稱為初級消費者（primary consumers），而老虎吃牛羊，鳥吃昆蟲，那麼老虎、鳥又稱為二級消費者（secondary consumers），而鳥又被老鷹、老虎為人所捕殺消耗，那麼老鷹與人便被稱為三級消費者（tertiary consumer）（圖4-5）。不管是生產者或消費者，最後都不免死亡，死亡後之軀體殘肢，並不一定被消耗掉，而是經過腐敗分解，而這腐敗分解的工作是靠各式各樣的生物，尤其是微生物來完成，這些生物便叫做分解者（decomposers）（圖4-6）。生物經過分解後又將其基本成分還給生界，作為生產者生長所需之營養成分，這樣便是生界中營養之循環（nutritional cycle）。

自然生態中之能源流動之理想模式是，植物只被一級消費者所掠食，一級消費者只被二級消費者所掠食，二級消費者只被三級消費者所掠食，有些像一個理想之鏈稱為食物鍊（food chains）。但是在自然生態中之食物消耗模式並不是如此簡單的，一種生物並不只從一種生物中得到營養之供應，事實上是從許多生物中獲得，例如動物，可因某食物之來源不同，可以分為素食者（herbivores）和肉食者（carnivores）。很多動物也可以吃其他的動物或植物，這樣的又稱為雜食者（omnivores）。所以在生界當中，能源食物異常之複雜，不同的食物鏈，形成密密麻麻的網一樣，我們稱之為食物網（food webs）。在這個食物大網中，自然是愈密愈好，而每個生物所生存之空間便叫做棲所（niche）。在一個平衡穩定的生態系統之食物網很密實，如果某一物種滅絕，那麼便像在此大網中發生了漏洞，這個漏洞，有時是會造成危機的，因為這些生物是我們生態系統的一部份，現在因為環境之被破壞，造成不少的種類瀕臨滅絕，一種生物之絕滅，在食物網中造成一個缺口，也可能因此造成其他生物之絕滅，例如如果缺少尤加利樹，無尾熊便活不成了，這僅是一個極端的例子。因為缺口不斷地擴大，此擴大並不能保證下一個被滅絕的物種，不會是人類本身。所以保護稀有生物，是保護自然系統，也就是保護我們人類生存的環境。

每一個生態系統，約有一定量太陽能可供使用，這些能為植物所吸收。動物也需此種能量，但是不能直接取得。我們知道，這可用的能量由植物轉給動物時，是會減少的，由於動物所擁有的可用能量比植物少，所以草食動物的總量比植物的總質量少。同樣地，肉食動物吃草食動物，肉食動物的總質量也比草食動物的總質量要少，這種關係，像金字塔一樣，叫做食物的金字塔（food pyramids）（圖4-7）。

物質與能源的循環

生物之所以能生存，是因為有不斷的能源與物質供應，物質包括水、礦物質與各種養份。

生物所能利用的能源，我們從第二章裏已得知，直接、間接都從太陽光而來，綠色植物或其他光合作用能力的微生物用太陽光合成醣類，再輾轉利用醣類作為能源與原料合成其他所需物質，而動物則攝取植物的醣類，作為自身所需，可以說能源，可以經過食物鏈的關係流轉。當然部份是以熱能從各種生物中回到自然。我們現在所用的燃料如煤、油等，都是上古動植物死後經地質變化而轉化成的能源（圖4-8）。最近的研究顯示有些高溫的細菌，生存在大西洋地殼縫中，利用燙熱的地熱作為生物能源，可以說是少數不必靠太陽能過活的生物。

太陽不僅供生物能源，世上的風、雨、雷、電、海流等種種氣候變化都間接由太陽能所造成。日照的強弱長短，並且很明顯地影響了植物的生長以及開花結果，人在陰沉的日子，也會比較不開朗的。

水中每種生物都必須的物質，在自然界很明顯的，雲凝成雨、雪、雹降於大地，而匯於河川潮海與土壤，自然蒸發成雲氣。生物吸收後，隨蒸發、排泄等又回歸自然，生物內的物質如醣類、脂肪、核酸、蛋白質等，主要是由碳、氫、氧、氮與礦物質等組成。而這些物質的循環都類似，如碳，從二氧化碳經光合作用至植物體，呼吸、死亡、分解後回歸自然，或變成煤、炭、石油等。氧經有氧呼吸的生物吸入，用以氧化營養物質，產生能源，變為二氧化碳回到大氣裏，而大氣裏的氧來自光合作用，如果沒有光合作用，地球的全部氧氣將會很快地被用完（圖4-9）。生物中的氮來自空氣，經固氮的微生物如細菌藻類，變為硝等生物可利用的形式，而後植物利用來合成蛋白質及其他含氮的有機物，動物將蛋白質等消化分解成氨、尿素等排掉，而經硝化細菌將之變為氮氣（圖4-10）。

礦物質的流轉，並不似上述物質的循環，從山石、地殼經雨水沖蝕流入土壤河流中，中途雖可被生物反覆利用，最終都是流到海裏。神話中海底有個大石磨，磨出鹽和礦物質，所以海水是鹹的。

地球上主要的生態系統

小至水族箱，大至河海，都可視為不同的生態系統，每個系統，由於環境、生物、歷史等不同而形成獨特的性質，自然系統間，並非似人工的水族箱般斷然畫分的，以海洋來說，海岸潮汐經過的部份便是界乎陸地與海洋，似乎兩邊環境的生物都可能生長其間，因此可以說界乎系統間的區域，生物種類更多。
在這個地球上之主要生態系統有：

一、海洋系統（ocean systems）

在海洋生態系統中的主要植物都是一些單細胞浮游植物（phytoplankton）和葉綠素的海洋類，他們是海洋中主要的浮游動物（zooplankton）的主食（圖4-11）。這些小動物直徑從0.2 mm至20 mm大小。也有少數的動物如鯨魚比陸上的牛、鹿都來得巨大。

在海洋中有很多掠食者包括魚類、哺乳類、無脊椎動物、兩棲類等。這些動物死了，它們的軀幹及其排泄物會沉在海底，海底也有生物靠攝取從上面掉下來的食物而活，但是海洋中之營養循環並不是很有效率的，海洋中之上層有接受陽光舉行光合作用的生物，其所獲得的營養又全部掉入海底，而中間之一層，營養上較為貧脊，就像陸地上的沙漠。而海洋靠近海岸的地方，營養又較為豐盛，因為有靠近海口的河川會流入許多營養。

二、海灣系統（estuary systems）

緊接著陸地的海灣河川和湖沼之地叫海灣系統（estuary systems）。從河流或溪流帶來了大量的食物營養，海藻和澤草生長在淺水中，由於它有豐富的食物，場找到遮棚，回到大海中也容易，因此有許多海魚在此生活並且產卵育種，所以海灣系統是許多海水生物之聚積之所（圖4-12）。

三、淡水系統（freshwater systems）

湖泊、池塘、和河流自成個別的淡水系統。在生態上像海洋系統，有動物、植物和微生物。但是與海洋系統所不同的是營養由附近之土壤不斷地供應，由於淡水較淺，有根的植物、草叢、藻類等在整個食物網中益形重要（圖4-13）。

四、陸地系統（terrestrial systems）

陸上的生態系統種類很多，重要的有：（1）凍原系統（tundra），一年到頭的溫度除短暫的日子外都低於凝固點，樹木並不能生存，一年當中溫暖的時間短、日照也短，只有藻苔、花草和小灌木覆蓋地面，混雜著鼠類等小動物（圖4-14）。（2）森林系統（forests），在雨量之寡與氣溫高低，可以分為寒帶針葉林、溫帶闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林、熱帶降雨林等（圖4-15）。（3）草原系統（grassland），在溫帶地區，雨最不足以形成森林系統的地區有穩定的草原系統，如北美洲地區有高如人身之處女草地，其他地區草較矮，但也綠野遍地（圖4-16）。（4）沙漠系統（deserts），在年雨量少於二十五公釐（10英吋）之乾燥地區叫沙漠系統。它可能很熱，也可能很冷，一些沙漠，光禿禿地的萬物不生，一些地方則有灌木叢與仙人掌（圖4-17）。