生態/環境響應
第 3 章。環境響應 I
生態學家最基本的研究興趣是生物體如何與其環境相互作用。無生命物體通常不會“相互作用”——它們只是受到環境中力量的影響。然而，生物體不能在一個事件鏈中完全被動，而仍然維持生命。從某種意義上說，生命代表了宇宙中“正常”秩序的逆轉，在宇宙中，物理和化學反應在平衡中進行——通常相當直接地——朝向能量狀態降低。
當火山噴發時，它會在其斜坡表面沉積岩石。這些岩石的能量狀態比它們先前作為地球深處物理物質時更高。但總的來說，為了噴發，該物質首先被加熱到液體狀態，然後消耗了大量的能量（作為壓力）將物質（岩漿）向上推，從山頂噴發出熔岩。這些能量中只有一小部分以岩石置於表面上的勢能形式保留在火山上。這種勢能最終將在侵蝕力鬆動岩石並使岩石滾下山坡或被磨成泥沙沉積到深海後釋放出來。
從本質上講，物理環境（與生物環境不同）由各種形式的物質和能量組成。物理環境是由各種力（能量）作用的物質之一，導致物質的能量狀態降低，並伴隨能量的釋放或轉化為（通常）熱量或光。
- 閱讀 熱力學定律 (現在不需要追查連結)
- 閱讀 華夏公益教科書中的熵章節，系統理論
- 閱讀 熵 (除非你願意，否則你不必深入研究數學；這篇文章超出了“基礎生態學”的要求)
- 閱讀 時間的箭頭 (這篇文章將讓你瞭解為什麼熵的概念很重要；請記住，生態學關注宏觀層面的事件)
生物系統——生物體——以各種方式對不斷變化的環境的物理力量的接觸和與其他生物體的相互關係做出反應。生物體的遺傳潛能決定了它可以做什麼，但環境決定了它實際上做什麼以及做到的程度（Greulach & Adams, 1962）。這個主題很重要，你將在接下來的討論中看到它被反覆提及。
生物體的反應可以歸納為以下四個不同的類別：
- 形態學，
- 生理學，
- 行為，以及
- 群落關係。
儘管這些類別或多或少是不同的，並且將在本章中詳細討論，但生物體對環境挑戰的反應很少只涉及其中之一。至少，形態特徵的生長或發育涉及細胞中的遺傳藍圖與解剖特徵的最終表達之間發生的內部生理過程。像公牛角這樣的保護性形態特徵透過行為行為發揮作用。角在以有效的方式使用之前，對捕食者沒有威脅。
為什麼所有物種沒有均勻地分佈在地球上？許多非生物（非生物）因素塑造了我們在地球表面觀察到的生態模式。這些因素包括：水、溫度、風、鹽濃度、pH 值以及地球是圓形的。地球是圓形的事實對地球表面太陽輻射、降水和風的分佈有重大影響。它也是海洋主要運動的原因。所有這些非生物因素自然地在全球生物的分佈和豐度中起著重要作用。
太陽輻射影響地球上的溫度。大多數生物體是中溫生物，喜歡 20-40 攝氏度之間的溫度，有些生物體是嗜冷生物，喜歡低於 20 攝氏度的溫度（冷生活生物體），有些生物體是嗜熱生物，喜歡高於 40 攝氏度的溫度（熱生活生物體）。季節性與溫度有一定的關聯。季節性的一些影響包括：（1）由於溫度和資源匱乏導致的冬眠，（2）決定某些植物或樹木生長狀況的降雨/降水，以及（3）風。
影響動物分佈多樣性的另一個重要方面是特定區域的氧氣含量。例如，有些生物體是需氧生物，需要氧氣才能生存，而有些生物體是厭氧生物，需要沒有氧氣才能生存。然而，並非所有生物體都需要相同量的氧氣。有些生物體是微需氧生物，需要少量氧氣才能生存，但這些生物體仍然需要氧氣才能生存，儘管可能不像其他生物體那樣多。
溶解氧在維持水體生物生命方面起著重要作用。水體中的氧氣含量越高，水體中可以維持的生物體就越多。藻類釋放氧氣到水中，氧氣後來在生物呼吸過程中被消耗。這個過程在夏季有效，因為藻類可以吸收足夠的陽光。當湖泊在冬季結冰時，覆蓋著雪的冰阻擋了陽光照射到藻類。由於生物體繼續呼吸，這會導致水體中氧氣產生量下降。溶解氧含量低會導致生態系統中捕食者/獵物相互作用出現問題。不同的生物體對低氧的耐受性不同。如果捕食者比獵物能更有效地生存，那麼獵物的數量會迅速下降。這會對整個食物網產生重大影響。在切薩皮克灣進行了關於此方面的實驗。[[1]]
水在全球生物多樣化中也發揮著重要作用。如前所述，降水量對於植物的生長至關重要，而植物可以為其他生物提供食物（作為食物來源）。鹽濃度（鹽度）是處理水時需要關注的重要方面，因為有些生物體是嗜鹽生物，它們需要鹽才能生存。構成海洋的水流也很重要。環流是海洋表面的洋流。環流將熱量從赤道分配到兩極，導致極地水域比赤道水域的能量更低。另一種型別的洋流是深層洋流，它下沉到海底，流向赤道，導致極地水域的鹽度和密度更高。
氣象學對地球上的生命也起著重要作用。地球被分為三個主要部分：（1）哈德利環流，其特徵是東北信風，由於空氣寒冷乾燥，主要是沙漠景觀；（2）費雷爾環流，其特徵是西風；（3）極地環流，位於地球的南北極。天氣和風影響植物的傳播（花粉和種子被吹走），天氣和風也影響生物體可以生存的棲息地範圍。
pH 值也是影響生命的重要因素。海洋的 pH 值約為 8.2。目前正在緩慢發生偏離這種 pH 值的現象，被稱為海洋酸化。在 243 年的時間裡，海洋的 pH 值下降了 0.075。這種緩慢的酸化是碳酸鈣生物的主要擔憂。包括骨骼在內的鈣質結構在較低的 pH 值下容易溶解。土壤的 pH 值範圍從 4.5 到 8.0，具體取決於區域和植被生長。土壤中植被的主要大量營養素包括鈣、磷、氮、鉀、鎂和硫。大多數植被偏好中性到微鹼性或鹼性的 pH 值水平，因為在這個水平上，大量營養素很容易被吸收。雨水略帶酸性，具體取決於所含碳酸的量。雨水的平均 pH 值為 5.7。天然淡水，如湖泊和河流，也略帶酸性，pH 值為 5.5 至 7.7。pH 值水平的劇烈變化會造成災難性的影響。一個例子是酸雨。眾所周知，酸雨會破壞它接觸到的一切，從礦物質到植物，再到動物和人類生命。要了解更多關於酸雨的資訊，請訪問 [[2]]。
- 閱讀 海洋酸化
風對生物多樣性的影響因地區而異。例如，在阿拉斯加東南部的雨林中，風塑造著森林，以及森林的組成程度。[[3]] 然而，在世界其他地區，颶風和龍捲風造成的風力破壞會透過摧毀用於食物和住所的樹木和植物來影響生物多樣性。風暴部分是由風流驅動的，風流反過來又將更多的水分帶到地球的某些地區。風也對水蒸發回大氣的所需時間有重大影響。當沒有風來加強幹燥效果時，池塘將保持更長時間的水。破壞動植物棲息地的野火可以被風極大地控制。風可以迅速地將火勢蔓延到很遠的距離，從而進一步破壞生物多樣性。
風的另一個主要影響是侵蝕。沙漠不斷地被風導致的風蝕和沙塵暴移動和重塑，風將沙子從一個區域轉移到另一個區域。風蝕還會透過去除地球最肥沃的表層土壤來破壞植物生長的土壤。土壤侵蝕限制了植物的生長以及以這些植物為食的動物和昆蟲的多樣性。
20 世紀 30 年代的“沙塵暴”是北美平原風力破壞的一個很好的例子。
植物的傳播受到風力驅動的花粉和種子傳播的很大影響。以小型風力驅動的種子為食的鳥類會在一個區域排洩種子，並在被吹到一兩個區域後，最終在多個區域出現。花粉的分佈和植物的異花授粉為動物提供了更多的覓食和棲息的機會，增加了繁殖和生物多樣性的機會。隨著森林砍伐，多樣性大大降低，但沒有樹木阻擋的微風可以讓種子和孢子傳播到更遠的距離。這將有助於恢復失去的棲息地並增加生物多樣性。[[4]]。
地球是圓的這一事實導致了前面段落中提到的幾個方面。由於地球是圓的，太陽輻射在整個地球表面分佈不均勻，這意味著赤道比兩極接受更多的太陽輻射。太陽輻射越少，能量越少，導致生物量（生物體和多樣性）越少。所有生命形式都需要一定量的太陽輻射才能生存，但所需數量因生物體而異。
為什麼熱帶地區和兩極地區的溫度差異如此之大？這不僅僅是赤道地區接受的入射輻射更多的問題。相反，與兩極相比，赤道附近更小的面積接受的輻射更多。此外，由於陽光以一定角度照射到兩極，因此它必須穿過更多的大氣層才能被地球吸收。因此，由於必須穿過更多的大氣層，更多的太陽能被反射或重新輻射回太空。這如何影響地球上的生命？單位面積的太陽輻射越少，意味著兩極地區的溫度通常更低，這限制了可能居住在這些環境中的生物型別。赤道附近更多的輻射意味著更多能量被新增到生態系統中，這意味著更多的生物量。
全球生態學的新問題包括大氣中二氧化碳濃度和其他溫室氣體濃度升高，以及由此導致的全球氣候模式的潛在變化。通用環流模型 (GCM)（參見 全球氣候模型）是大氣科學家開發的複雜計算機模型，用於幫助預測溫室氣體濃度增加可能如何影響大規模的全球氣候模式。
例如，溫度升高（部分原因是二氧化碳濃度升高）會影響龜的幼體。地圖龜和紅耳滑龜都具有溫度依賴性性別決定。溫度較高會導致雌性幼體，而溫度較低會導致雄性幼體。因此，溫度升高會導致雄性龜數量減少。
全球變暖對生物多樣性的分佈和豐度有很大影響。氣候的程序和模式影響著生物的行為和生理反應，它們的生產力，物種的相對競爭能力，出生、生長和死亡率，養分迴圈，分解，淨初級生產力，以及種群的群落結構。
生物形態
[edit | edit source]生物體所採取的形式——稱為其生命形式——包含所有使該物種可描述且獨一無二的結構方面。形態適應指的是使生物體能夠在其棲息地中成功生活的結構特徵或特徵（稱為性狀）；這些性狀是在（通常很長一段時間）內進化而來的，是自然選擇過程的結果。
自然選擇是一個在幾代人中發生的過程。它使選定的生物體能夠隨著時間的推移適應其環境。自然選擇通常會導致物種能夠在具有環境限制的區域中生存。例如，比周圍其他植物長得更高的植物可以獲得比周圍其他植物更多的陽光，從而增加其生存的機會及其整體適應度。為了使自然選擇發生，必須滿足兩個要求。首先，必須存在某些性狀的變異；其次，該性狀必須影響生存或繁殖或兩者兼而有之。自然選擇會導致定向選擇或顛覆性選擇。定向選擇是指分佈一端的個體表現良好，而另一端的個體則表現不佳。顛覆性選擇是指中間體不如分佈兩側的個體表現良好。
- 閱讀 維基百科:en:定向選擇（瞭解更多資訊）
- 閱讀 維基百科:en:顛覆性選擇
- 閱讀 維基百科:en:穩定性選擇
- 閱讀 自然選擇 (目前無需關注連結)
儘管我們可能會得出結論，即適應性的形態性狀是透過進化過程緩慢地被物種獲得的，因此在個體的生命週期內不受改變的影響，但事實上，許多形態性狀是根據環境條件表達或改變的。個體生物體在一定範圍內遺傳了形態變異，性狀的表達代表了對該個體環境特性的反應。所有物種個體的顯著相似性證明了形態性狀的遺傳基礎，但通常存在一定程度的可塑性，受環境因素的影響。個體遺傳了這種可塑性，而不是父母的生長形式。因此，生長形式代表了“自然”（遺傳或遺傳性狀）和“培育”（環境對生長過程的影響）的結果。
由於環境穩定性而持續幾代的生長形式（但不是遺傳性狀）被稱為生態型。但是，任何此類性狀都可能受到自然選擇的影響，並且可能隨著時間的推移在種群中固定為遺傳的生態型。也就是說，如果該性狀在種群的棲息地內具有高度適應性，並且表達的可塑性被未充分利用，成為遺傳負擔，則該可塑性可能會丟失或受到限制。生態型是來自不同種群的同種個體之間基於遺傳的差異。
生物生理學
[edit | edit source]生理學是研究生物體生化功能的學科。形態學（如上所述）本質上是關於解剖結構和結構，而生理學很大程度上是關於過程。然而，這兩個方面在任何生物體中都緊密相連，以至於不能在不考慮另一個的情況下討論其中一個。如前所述，生理過程必須先於形態性狀的生長。並且，生理反應，例如血壓升高，是由心臟和動脈解剖結構的短期機械變化引起的。換句話說，心臟的形狀和結構是一個形態性狀；心臟器官的泵血功能——是一種生理活動。肌肉收縮是由於生化訊號和變化引起的機械動作。一個不能沒有另一個發生。
生物學家將生理調節定義為對環境變化的反應。 "調節"指的是生理或內部功能的變化，使生物體能夠維持生命。 調節受到生物體遺傳的生理和形態適應的限制。 正如我們之前所描述的“形態變異”本質上是基於對可能性範圍的遺傳而對環境的調節一樣，生理也受遺傳（基因）和環境（外部）因素的控制。 這裡重要的區別在於“調節”和“適應”這兩個詞，這個區別可以適用於形態和生理。
- 適應是指透過遺傳繼承的生理過程或形態特徵，並在種群層面上受到自然選擇的影響;
- 調節是指在遺傳範圍內表達的活動和特徵，並在個體的生命週期內或甚至更短的時間內受到個體修飾的影響。 這裡正確的術語是適應。
如果我鍛鍊身體，讓我的身材與現任加利福尼亞州州長相媲美，我並不是在適應，而是在調節或適應自己（考慮到我們不同的生長形態！）。 另一方面，當毛毛蟲變成蛹，然後蛻變成蝴蝶時，這顯然是一種適應。 這個過程（稱為變態）是遺傳的，不可逆的。 老化是一個似乎在很大程度上不可逆轉的過程（當然死亡是），顯然也是一種適應。 一旦繁殖成功達到頂峰並開始下降，對物種種群的優勢就轉移到消除老年個體（幸運的是，有一些例外）。
對環境因素的行為反應可以觀察到為各種各樣的運動。 我們說“行為”是生物體“行動”的方式——它“做”什麼活動。 由認知過程控制的複雜行為從簡單的反應行為演變而來，對這些反應的理解為理解行為如何賦予生物體生存能力提供了基礎。 請注意，此類反應通常在能夠運動的生物體中是快速發生的（並且透過神經在高等動物中介導），而在缺乏運動能力的生物體中通常要慢得多。 因此，植物雖然沒有肌肉，但仍然會對各種刺激做出反應——例如，向著光生長或轉向光。 簡單的轉向反應，無論是向著還是遠離特定的刺激，都被稱為向性。 實際的物理運動，無論是向著還是遠離刺激，都被稱為趨性。 被稱為趨向性的類似行為涉及在方向或方向上看起來是隨機的物理運動，但活動的強度是由刺激的強度決定的。
生物圈的“家園”是地球，一個圍繞恆星執行的吸積體。 地球的物理現實，源於其大小和相對於被稱為“太陽”的恆星的位置，決定了生命發展和目前存在的基本物理性質。
生物體對環境的變化和反覆無常做出反應。 生物體與非生物體不同，它們能夠生存是因為它們有能力做出反應。 反應的形式很多，我們可以將其歸類為形態、生理或行為。 但是，大多數反應都涉及這些型別的組合，將反應分類為特定型別通常只是意味著一種型別是觀察到的反應中更明顯的一個方面。
- Greulach, V. A. and J. E. Adams. 1962. Plants. An introduction to Modern Botany. John Wiley & Sons, Inc., New york and London. 557 pp.
- Fresh Water, Natural Composition of. 2007. Advameg Inc. http://www.waterencyclopedia.com/En-Ge/Fresh-Water-Natural-Composition-of.html.
- Etchberger, Cory R., Michael A. Ewert, John B. Phillips, and Craig E. Nelson. Carbon Dioxide Influences Environmental Sex Determination in Two Species of Turtles. Amphibia-Reptilia 23 (2002): 169-175.