高中地球科學/生態系統

生態系統由生物以及這些生物在一個區域內所需的非生物組成。能量在一個方向上流經生態系統。營養物質迴圈透過生態系統的不同部分，並且可以在許多點進入或離開生態系統。

課程目標

討論化學和物理因素對生物的重要意義。
描述不同物種在生態系統中的作用。
描述生態系統的功能，以及不同物種如何在不同的生態系統中扮演不同的角色。
描述能量從食物鏈的最低營養級到最高營養級的傳遞，包括每個營養級能量的損失。
討論物質如何在營養級之間迴圈，以及物質如何在任何時候進入或離開食物網。

生物群落

種群由在給定時間和地點一起出現的單個物種的所有個體組成。物種是一種可以相互交配併產生可育後代的單一型別的生物。所有在同一地區共同生活的種群構成一個群落。生態系統是群落中所有生物以及它們相互作用的物理和化學因素。生態系統中的生物被稱為生物因素。生物包括細菌、藻類、真菌、植物（圖18.1）和動物。動物包括無脊椎動物（圖18.2），沒有脊椎的動物和脊椎動物（圖18.3），有脊椎的動物。

物理和化學特徵是非生物因素。非生物因素包括生物生存所需的資源，如光、氧氣、水、二氧化碳、良好的土壤以及氮、磷和其他營養物質。非生物因素還包括非物質或生物的環境特徵，如生存空間和合適的溫度範圍。

生物必須謀生，就像律師或芭蕾舞演員一樣。這意味著每個生物個體必須獲得足夠的能量來維持生命並希望能夠繁殖。一個物種謀生的方式被稱為其生態位。生態位的一個例子是作為一個頂級食肉動物謀生，這種動物以其他動物為食，但不會被其他任何動物吃掉。這個生態位可以由非洲草原上的獅子、苔原上的狼或海洋中的金槍魚來填補。

每個物種都佔據一個生態位，而且生態位幾乎總是被生態系統填滿。

生物的棲息地是它居住的地方。棲息地的重要特徵包括氣候、食物、水和其他資源的可用性以及其他因素，如天氣。棲息地可能是仙人掌上的一個洞，也可能是熱帶雨林中蕨類植物的下面。它可能是一個廣闊的稀樹草原。

生態系統中的角色

存在許多不同型別的生態系統（圖18.4）。一些生態系統的例子包括熱帶雨林、灌木叢、苔原和沙漠。這些詞語與生物群落所使用的詞語相同。這是因為氣候條件決定了哪些生態系統存在於哪些位置。特定的生物群落包含所有具有相似氣候和生物的生態系統。

**圖18.5**: 管蟲與化能合成細菌有共生關係。細菌為蟲子提供食物，而蟲子管為細菌提供住所。

不同的生物生活在每種不同的生態系統中。蜥蜴在沙漠中茁壯成長，但沒有任何爬行動物可以在極地生態系統中生存。大型動物通常在寒冷的氣候中比在炎熱的氣候中表現更好。儘管如此，每個生態系統都有生物所扮演的相同的一般角色。只是填補這些生態位的生物是不同的。例如，每個生態系統都必須有一些生物以化學能量的形式生產食物。這些生物主要是海洋中的藻類、陸地上的植物以及深海熱泉中的細菌。

生產食物的生物在每個生態系統中都極其重要。生物型別之間最根本的區別在於它們是否能夠生產自己的能量。能夠生產自身食物的生物被稱為生產者。相反，利用生產者創造的食物能量的生物被稱為消費者。

生產者有兩種型別。幾乎所有的生產者都透過光合作用從太陽獲取能量並將其轉化為化學能量（食物）。光合生物利用二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）來生產糖(C₆H₁₂O₆)和氧氣（O₂）。這種食物可以立即使用，也可以儲存起來以備將來使用。

一小部分生產者在不使用任何陽光的情況下，從化學物質中創造出可用的化學能量。在海洋深處，在被稱為熱液噴口的深海熱泉中，幾種型別的細菌分解化學物質來產生食物能量。這個過程被稱為化能合成（圖18.5）。

消費者有很多型別。食草動物直接吃生產者（圖18.6）。這些動物分解植物結構以獲取它們需要的物質和能量。許多其他消費者吃動物。這些被稱為食肉動物。食肉動物可以吃食草動物，也可以吃其他食肉動物。雜食動物吃植物和動物，以及真菌、細菌和其他界別的生物。

生物之間存在著許多型別的食物關係。捕食者是一種殺死並吃掉另一種動物的動物（圖18.7）。它殺死的動物是它的獵物。

食腐動物是吃已經死亡的生物的動物。禿鷲和鬣狗只是兩種食腐動物。分解者分解死去的生物或活生物的廢物，將營養物質返還給生態系統。許多分解者是細菌，但也有一些其他的分解者，包括真菌（圖18.8）。分解者是回收者；它們使死去的生物中的營養物質可供活的生物利用。

生態系統中的能量流動

能量既不能被創造也不能被毀滅。能量只能從一種形式轉化為另一種形式。這是一個如此基本的自然規律，以至於它有自己的名字：能量守恆定律。植物不會憑空創造化學能量。相反，它們從非生物因素（包括陽光）中創造化學能量。因此，它們將太陽能轉化為化學能。利用化能合成的生物從化學能開始，創造出可用的化學能。生產者創造了食物能量後，它就會傳遞給消費者、食腐動物和分解者。

能量只在一個方向上流經生態系統。能量隨著生產者的出現而進入生態系統。在幾乎所有生態系統中，陽光都是最初的能量來源。這種能量從一個營養級或能量級上的生物傳遞到下一個營養級上的生物。生產者始終是第一個營養級，食草動物是第二個營養級，以食草動物為食的食肉動物是第三個營養級，等等。

平均而言，到達一個營養級的 90% 的能量被用來為該營養級上的生物提供能量。它們需要能量來運動、加熱自身和繁殖。因此，第二個營養級上的動物可利用的能量只有第一個營養級上的生物的大約 10%。它們利用了接收到的能量的大約 90%，因此第三個營養級上的生物可利用的能量只有第二個營養級上的生物的大約 10%。這個 10% 規則一直延續到更高的營養級，因此生態系統中下一個更高營養級可利用的能量越來越少。

從一個營養級傳遞能量到下一個營養級的生物集合被稱為食物鏈（圖18.9）。在這個簡單的描述中，所有生物都在一個營養級上進食。第三個營養級上的動物只吃第二個營養級上的動物，而第二個營養級上的動物只吃第一個營養級上的動物。但是，許多雜食動物在多個營養級上進食，它們的飲食中包括植物和動物。

由於只有 10% 的能量被傳遞到食物鏈中，因此每個營養級只能維持更少的生物。像美洲豹這樣的頂級捕食者必須擁有非常大的狩獵範圍，以便能夠獲得足夠的能量來維持生命。由於這個原因，頂級食肉動物相對於食草動物來說非常少。結果就是每個營養級的生物數量看起來像金字塔。金字塔底部的低階營養級上的生物數量遠遠超過金字塔頂部的較高營養級上的生物數量。

食物鏈通常只有四五個營養級，因為沒有足夠的能量來支撐第六個營養級的生物。海洋動物的食物鏈比陸地動物的食物鏈更長，因為海洋環境更加穩定。較高營養級的生物也往往比較低營養級的生物更大。原因很簡單：鯨魚必須能夠吃浮游生物，但浮游生物不需要能夠吃鯨魚。有時多個較小的捕食者會共同捕食較大的獵物，因此較高營養級的生物比較低營養級的生物更小。這適用於狼群，它們作為一個整體共同捕獵駝鹿。

由於有些生物在多個營養級覓食，因此食物鏈無法充分描述生態系統中能量的傳遞。更準確的描述是食物網（圖 18.10）。食物網認識到許多生物在多個營養級覓食。食物網包括生產者、消費者和分解者之間的關係。

**圖 18.10**：北極食物網。除了生物體之外，還包括一些非生物成分（氮、礦物鹽）和非生物部分（糞便）。

所有生物都依賴於兩個相互關聯的全球食物網。一個的基礎是浮游植物，微小的海洋生產者。這些微小的生物被浮游動物吃掉。浮游動物是微小的動物，反過來又被小魚吃掉，然後又被大魚吃掉。陸地植物構成了第二個食物網的基礎。它們被草食動物吃掉，草食動物被肉食動物吃掉，等等。生活在陸地的鳥類或熊可能會吃魚，這將兩個食物網連線起來。人類是這兩個食物網的重要組成部分；我們處於食物網的頂端，因為沒有任何東西吃我們。這意味著我們是頂級掠食者。

生態系統中的物質流動

生態系統中的物質流動不像能量流動。物質可以在任何級別進入生態系統，也可以在任何級別離開生態系統。它在營養級之間以及生態系統和物理環境之間自由迴圈。營養物質是離子，對於生物體的生長至關重要。營養物質，如氮和磷，對植物細胞生長很重要。動物使用二氧化矽和鈣來構建貝殼和骨骼。細胞需要硝酸鹽和磷酸鹽來製造蛋白質和其他生化物質。從營養物質中，生物體制造組織和複雜的分子，如碳水化合物、脂類、蛋白質和核酸。

營養物質可能來自岩石和礦物質的分解進入生態系統。它們進入土壤，被植物吸收。營養物質可以從其他地區帶入，例如被溪流帶入湖泊。當一種生物吃掉另一種生物時，它會獲得所有營養物質。營養物質也可以從生態系統中迴圈出來。腐爛的樹葉可能被溪流帶出生態系統。營養物質可能會被風吹出生態系統。

分解者在使營養物質可供生物利用方面發揮著關鍵作用。腐食者吃掉死去的生物後，幾乎總是會留下一些死去的動物或植物的殘留部分。分解者完成了分解死生物的過程。它們將死生物轉化為營養物質和二氧化碳，它們會將二氧化碳呼吸到空氣中。然後，這些剩餘的營養物質就可以供其他生物利用。沒有分解者，地球上的生命就無法繼續。死組織將保持原樣，最終營養物質會耗盡。分解者分解組織，並將營養物質歸還到地面。如果沒有分解者，地球上的生命早就滅絕了。

物種之間的關係

物種之間有不同型別的關係。競爭發生在試圖利用相同資源的物種之間。當競爭過多時，一種物種可能會遷移或適應，以便它使用略微不同的資源。例如，它可能會生活在樹梢上並吃掉灌木上稍微高一點的葉子。如果競爭沒有結束，一種物種就會滅絕。每個生態位只能被一個物種佔據。

物種之間的一些關係對至少兩種相互作用的物種中的一種是有益的。這些關係被稱為共生，並且有三種類型。在互利共生中，這種關係對兩種物種都有益（圖 18.11）。大多數植物-傳粉者關係都是互利共生的。傳粉者，例如蜂鳥，會獲得食物。植物會將花粉捕獲在鳥類的羽毛中，因此花粉會散佈到遙遠的花朵中，幫助它們繁殖。

在偏利共生中，這種關係對一種物種有利，但不會傷害或幫助另一種物種（圖 18.12）。一隻鳥可能會在樹洞裡築巢。這對樹木既不傷害也不有利，但它為鳥類及其幼崽提供了保護。

在寄生中，寄生蟲物種受益，而宿主受到傷害（圖 18.13）。寄生蟲通常不會殺死它們的宿主，因為死亡的宿主對寄生蟲不再有用。寄生蟲和宿主的一個明顯例子是橡樹上的槲寄生。槲寄生透過一根進入樹枝的根部獲得水和養分。然後樹木支撐著槲寄生，但樹木並沒有死亡，即使它的生長和繁殖受到寄生蟲的輕微損害。人類可以寄宿寄生蟲，例如引起血吸蟲病的扁蟲。

課程總結

每個物種都在生態系統中扮演一個生態位。每個生態系統都有相同的生態位，儘管並非總是相同的物種來填充它們。
每個生態系統都有生產者、消費者和分解者。分解者分解死組織，使營養物質可供生物體利用。
在每個營養級都會損失能量，因此頂級捕食者很少見。食物關係比食物鏈複雜得多，因為有些生物從多個營養級覓食。
因此，需要食物網來顯示生態系統中所有捕食者/獵物相互作用。

複習問題

種群、群落和生態系統有什麼區別？
生態位和棲息地有什麼區別？
為什麼不同生態系統中的角色相同，但填充它們的物種卻經常不同？
為什麼深海生態系統中沒有生產者？如果沒有生產者，能量來自哪裡？能量的最終來源是什麼？
捕食者是草食動物、肉食動物還是雜食動物？獵物呢？
生物學家常說細菌是地球上最重要的生物。為什麼這麼說？
為什麼你在徒步旅行時看到兔子比看到獅子可能性大得多？
與第 1 個營養級的生物相比，第 5 個營養級的生物有多少能量？這如何決定食物鏈的長度？
為什麼食物網比食物鏈更能代表生物的攝食關係？
為什麼能量在生態系統中只能單向傳遞，而營養物質卻迴圈往復？
為什麼捕食者會殺死獵物，而寄生蟲很少殺死宿主？

詞彙

非生物: 生態系統的非生物特徵包括空間、營養物質、空氣和水。
生物: 生態系統的生物特徵包括病毒、植物、動物和細菌。
肉食動物: 僅以其他動物為食的動物。
化能合成: 透過分解化學物質來創造食物能量。
偏利共生: 兩種物種之間的一種關係，其中一種物種獲益，而另一種物種沒有受到傷害。
群落: 生態系統中所有生物；所有共同生活的物種的所有種群。
競爭: 兩種物種或同一物種的個體之間為爭奪相同資源而產生的競爭。
消費者: 一種生物不能創造自己的化學能量，而是以其他生物為食。
分解者: 一種生物，它將死生物的組織分解成各種成分，包括其他生物可以利用的營養物質。
生態系統: 一個地區的所有生物及其生存所需的物理和化學因素。
食物鏈: 一個能量通路，包括所有作為食物能量傳遞鏈中的一環的生物體，從生產者開始，一直傳遞到消費者。
食物網: 相互交織的食物鏈，顯示每個生物體從不同的營養級獲取食物，更能反映現實情況。
棲息地: 生物體生存的地方；棲息地具有獨特的特徵，如氣候或資源可用性。
食草動物: 只吃生產者的動物。
無脊椎動物: 沒有脊椎的動物。
互利共生: 兩種物種之間的一種共生關係，其中兩種物種都受益。
生態位: 生物體在其群落中的“工作”。
雜食動物: 一種以植物（生產者）和其他消費者（動物）為食的生物體。
寄生: 兩種物種之間的一種共生關係，其中存在寄生蟲和宿主。寄生蟲從宿主獲取營養。在寄生關係中，宿主會受到傷害，但通常不會被殺死。
光合作用: 植物利用二氧化碳和水生產糖和氧氣的過程：6CO₂ + 12H₂O + 太陽能 C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O。
種群: 在特定時間和地點共同出現的某個物種的所有個體。
捕食者: 捕殺並吃掉其他動物的動物。
獵物: 可能被捕食者殺死並吃掉的動物。
生產者: 創造化學能量作為食物的生物體。大多數生產者使用光合作用，但極少數使用化學合成。
食腐動物: 吃已經死亡的動物的動物。
物種: 生物分類，包括可以或正在雜交併產生可育後代的生物體；同一物種的成員共享相同的基因庫。
共生: 兩種物種之間的關係，其中至少一個物種受益。
營養級: 食物鏈或食物網中的能量等級。
脊椎動物: 有脊椎的動物。

需要考慮的幾點

如果兩個物種試圖佔據相同的生態位，會發生什麼？
每個生態系統都有生產者、消費者和分解者，但至少有一個例外。除了熱液噴口，深海生態系統缺少什麼？
人類在食物網中處於什麼位置？
大多數人類是雜食動物，但我們吃的大部分食物處於較高的營養級。由於生態系統通常只能支援少量頂級捕食者，而低等生物的數量卻很多，為什麼會有這麼多人？

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