生態學

生態學
The Earth seen from Apollo 17.jpg
Hawk eating prey.jpgEuropean honey bee extracts nectar.jpg
Bufo boreas.jpgBlue Linckia Starfish.JPG
生態學專注於所有尺度的生命,從微小的細菌,到涵蓋了整個地球的過程。生態學家研究物種之間的許多不同的和複雜的關係,如捕食授粉。生命的多樣性按照不同的棲息地被組織,從陸生的(中)到水生的生態系。

Nicola Perscheid - Ernst Haeckel.jpg Warming,Eugen-c1900.jpg

德國生物學家恩斯特·海克爾(左)和丹麥植物學家尤金紐斯·瓦爾明(右),兩位生態學的建立者

生態學德語Ökologie),是德國生物學家恩斯特·海克爾於1866年定義的一個概念:生態學是研究生物體與其周圍環境(包括非生物環境和生物環境)相互關係的科學[1]德語Ökologie(最初:Oecologie)是由希臘語詞彙Οικοθ(家)和Λογοθ(學科)組成的,意思是「研究居住在同一自然環境中的動物(Lebewesen)的學科」,目前已經發展為「研究生物與其環境之間的相互關係的科學」[2]環境包括生物環境和非生物環境,生物環境是指生物物種之間和物種內部各個體之間的關係,非生物環境包括自然環境:土壤岩石空氣溫度濕度等。[3]

在1935年英國的Tansley提出了生態系的概念之後,美國的年輕學者Lindeman在對Mondota湖生態系詳細考察之後提出了生態金字塔能量轉換的「十分之一定律」,也就是同一條食物鏈上各營養級之間能量的轉化效率平均大約為百分之十左右[4]。由此,生態學成為一門有自己的研究對象、任務和方法的比較完整和獨立的學科。近年來,生態學已經創立了自己獨立研究的理論主體,即從生物個體與環境直接影響的小環境到生態系不同層級的有機體與環境關係的理論。它們的研究方法經過描述——實驗——物質定量三個過程。系統論、控制論、資訊理論概念方法的引入,促進了生態學理論的發展。如今,由於與人類生存與發展的緊密相關而產生了多個生態學的研究熱點,如生物多樣性的研究、全球氣候變遷的研究、受損生態系的恢復與重建研究、永續發展研究等。

生態學是生物學的一個分支,生物學的研究對象向微觀和宏觀兩個方面發展,微觀方面向分子生物學方向發展,生態學是向研究宏觀方向發展的分支,是以生物個體、族群、群集、生態系直到整個生物圈作為它的研究對象。生態學也是一個綜合性的學科,需要利用地質學地理學、氣象學、土壤學化學物理學等各方面的研究方法和知識,是將生物群集和其生活的環境作為一個互相之間不斷地進行物質循環和能量流動的整體來進行研究。

綜合層次,範圍和組織的規模

生態學分支

生態學也有自己的分支,依照研究對象分為:

  • 個體生態學(autoecology) - 研究一個生物個體或一種生物多個個體與環境之間的關係;
  • 族群生態學 - 研究一種或親緣關係較近的幾種生物族群與環境之間的關係;
  • 群集生態學(synecology) - 研究生活在同一環境中的所有生物與環境之間的關係;

而生態學在自然學科的基礎之上又把其研究方法與領域擴展到社會科學之中:

  • 文化生態學 - 研究文化的集群和競爭的環境對於文化進程的影響與推動作用。

生物多樣性

生物多樣性是一個區域中基因物種和生態系的總和。一個生態系內,組成的成分越多樣,能量和物質流動的途徑越複雜,食物鏈網的組成越錯綜,生態系自動調節恢復穩定狀態的能力越強;成分越單調、結構越簡單,應對環境變化的能力越低。因此生物多樣性也是衡量一個區域環境狀況的指標。

  • 遺傳多樣性:一個物種中基因的多樣性,同一物種的族群和個體中基因存在變異。
  • 物種多樣性:物種間的多樣性。
  • 生態多樣性:更高組織層次——生態——的多樣性(基因最終貢獻的不同過程中的豐度)。

動物棲地

 
珊瑚礁生物多樣性。珊瑚適應並形成碳酸鈣骨骼改變他們的環境。這提供了後代的生長條件,形成了一個許多其它物種的動物棲地[5]

生態席位

生物圈

Ecologia.jpg 

從生態學角度來看,地表從地下11公里到地上15公里高度是由岩石圈、水圈和大氣圈組成的,在三個圈交匯處存在著生物圈,絕大部分生物是生活在地下100米到地上100米之間[6]

生物最早是從水圈產生的,逐漸向深水發展,由於大氣中氣含量增加,在大氣圈最外層因為宇宙射線的作用,氧分子重組形成臭氧層,臭氧層可以阻止危害生命的紫外線進入大氣層,使得生物可以脫離水圈向陸地發展。陸地環境不同區域差異較大,為了適應環境,生物發展出許多不同種類。

能量在不同的圈內流動,綠色植物吸收太陽光能,轉換成化學能貯存,動物取食植物吸收植物的能量,太陽能絕大部分被大氣圈、水圈和岩石圈吸收,增加溫度,造成潮汐和岩石的風化裂解。地球本身的能量表現在火山爆發、地震中,也不斷地影響其他各圈。能量的主要來源是太陽,在地球中不斷地被消耗。

物質則可以各圈內循環,而沒有多大的消耗,以二氧化碳形式存在的被植物吸收,經植物和動物的呼吸作用排出,被動植物固定在體內的水、和其他微量元素,一旦死亡會重新分解回到其他自然圈,有可能積累形成化石礦物。如植物遺骸形成、動物遺骸形成石油細菌遺骸形成硫磺礦等。

生態系生態學

生態系

在自然界一定範圍或區域內,生活的一群互相依存的生物,包括動物、植物、微生物等,和當地的自然環境一起組成一個生態系。生態系裡的非生物因子(例如空氣土壤等)與其間的生物之間具交互作用[7],物質和能量的流動達到一個動態平衡。生態系大小不一,多種多樣,小到一滴湖水、一個獨立的小水塘、熱帶雨林中一棵大樹;大到一片森林、一座山脈、一片沙漠都可以是一個生態系。

一個生態系具有自己的結構,可以維持能量流動和物質循環,地球上無數個生態系的能量流動和物質循環,匯合成整個生態圈的總能量流動和物質循環,一個生態系內各個物種的數量比例、能量和物質的輸入與輸出,都處於相對穩定的狀態,如果環境因素變化,生態系有自我調節恢復穩定狀態的功能,如果環境因素緩慢的變化,原有的生物種類會逐漸讓位給新生的,更適應新的環境條件的物種,這叫做生態消長。但如果環境變化太快,生物來不及演化以適應新的環境,則造成生態平衡的破壞。

生態系之間並不是完全互相隔絕的,有的物種遊動在不同的生態系之間,每個生態系和外界也有少量的物質能量交換。人類會創造人工生態系,如農田的單一物種,城市的生態系,都是人工創造的,人工生態系一離開人類的維護,就會破壞,恢復到自然狀態。

食物網

 
食物鏈的例子:螳螂

一切生物都是通過從外界攝取能量和物質以維持生命的,生態系中的能量和物質流動正是通過各種生物攝取食物的方式形成的,而這種將各種生物聯繫到一起的能量物質流動的鏈條則叫做食物鏈。食物鏈這個詞是英國動物學家查爾斯·艾爾頓(C.S. Elton)於1927年首次提出的[8],據他自己說是受到中國俗語「大魚吃小魚,小魚吃蝦米」的啟發。食物鏈包括幾種類型:捕食性、寄生性、腐生性、碎食性等,如果一種有毒物質被食物鏈的低級部分吸收,如被草吸收,雖然濃度很低,不影響草的生長,但子吃草後有毒物質很難排泄,當它經常吃草,有毒物質會逐漸在它體內積累,吃大量的兔子,有毒物質會在鷹體內進一步積累。因此食物鏈有累積和放大的效應[9]美國國鳥白頭海鵰之所以一度面臨滅絕,並不是被人捕殺,而是因為DDT逐步在它體內積累,導致生下的蛋是軟殼,無法孵化[10]。一個物種滅絕,就會破壞生態系的平衡,導致其物種數量的變化,因此食物鏈對環境有非常重要的影響。

實際在自然界中,每種動物並不是只吃一種食物,而是吃多種的食物,因此會形成一個複雜的食物網。

關鍵種

 
海獺是一種關鍵物種。

關鍵種是指對環境的影響與其生物量不成比例的物種[11]這些物種對保持生態群集的結構起著重要的作用,它們影響著生態系中其他許多生物,並決定了群集中各種物種的種類與數量。關鍵物種在生態系中的作用類似於拱心石英語keystone中的作用。如果失去關鍵物種,生態系就會經歷劇烈的變化,儘管從生物量或生產力來衡量其只占了生態系的一小部分。

生態系的生產量

 
美國的保護生態郵票

生態系中包括有不同的營養級生產者,主要有:

  • 生產者—從陽光中攝取能量的綠色植物,是第一性生產者;
  • 消費者—取食植物和其他動物生物;※消費者可以依照所食用的對象來區分為

(1)以生產者為食的--初級消費者-- (2)以草食性動物為食的--次級消費者-- 以此類推依循食物鏈的順序來推斷,次級以上的可能為肉食或是雜食消費者。

還有--清除者--為吃動物屍體或排泄物的消費者,與下列分解者不同,無法像分解者將物質運回大自然。只將屍體或排泄物變更為容易分解。


從陽光的能量中轉換多少生物量為系統的生產量,主要指第一性生產者的有機物總量,不同自然條件的生產量不同,沙漠海洋生態系的生產量最低,每晝夜只有不到0.1-0.3克/平方米,熱帶雨林則可以達到每晝夜10-20克/平方米。生產量大的生態系則可以維持更多的生物存在,其自我調節能力也更強;生產量少的生態系自我調節能力極低,生態系則非常脆弱,經不起條件的變化和外界的破壞。

生態危機

 
全球暖化影響,在瑞士阿爾卑斯山阿萊奇冰川正在不斷後退

在自然條件下,由於環境的變化,會出現生態系的消長。但如果變化過快,也會出現大量物種滅絕的危機,如恐龍在不到一萬年的時間內全部滅絕;火山爆發造成當地生態系的滅絕,都是生態危機。但最常見的是由於人類活動造成的局部地區的生態系嚴重破壞,多處生態系的破壞導致整個生態圈的結構和功能紊亂,最終會威脅人類本身的生存和發展。

生態危機的潛伏期不易被人們發現,一旦形成則很難再恢復,需要付出多年的努力和幾十倍到幾百倍的代價才能消除危機的影響。由於濫墾濫牧,在美國蘇聯中國都出現過「黑風暴」現象,水土流失、沙漠擴大、水源枯竭、氣候異常、森林消失等生態危機都是由於人類不適當的活動造成的。生態危機造成的物種滅絕則永遠也無法恢復,目前人類造成的生態危機還包括全球暖化酸雨、臭氧層破壞,已經造成全球性的生態危機,全球生態危機已經威脅到90%以上的生物物種。

生態危機的概念最早出現在1972年羅馬俱樂部的一份報告的第一頁,科學家將人類所遭遇過的歷次生態危機做過劃分,其時間跨度從史前直到現代,並且對未來做出了預測。[12]

編號 名稱 時間 原因 解決途徑
1 史前期乾旱化 公元前300萬年 氣候乾旱化 類人猿出現
2 採集資源貧乏化 公元前3萬至5萬年 採集資源不足 栽培植物的生物建設措施
3 過度狩獵大型動物 公元前1萬至5萬年 人類狩獵 原始農業、畜牧業
4 灌溉土地荒廢 公元前5世紀到公元1世紀 粗放灌溉導致土地資源減少、土壤鹽鹼化 非灌溉土地
5 植物資源與產品不足 18世紀中期到19世紀中期 土地資源減少、技術落後 工業革命、新農業技術
6 全球性環境污染、資源枯竭 20世紀中後期 過度資源利用、多種技術排放 能源供給技術、清潔生產、生態化措施
7 全球性熱動力污染 已經開始 全球氣候變遷 限制能源利用、預防溫室效應、尋求生態化途徑
9 全球生態穩定性破壞 預測 全球生態系平衡破壞 生態價值優先

參見

參考文獻

  1. ^ Frodin, D.G. Guide to Standard Floras of the World. Cambridge: Cambridge University Press. 2001: 72. ISBN 0-521-79077-8. [ecology is] a term first introduced by Haeckel in 1866 as Ökologie and which came into English in 1873 
  2. ^ Begon, M.; Townsend, C. R., Harper, J. L. Ecology: From individuals to ecosystems. (4th ed.). Blackwell. 2006. ISBN 1405111178. 
  3. ^ Campbell, Neil A.; Brad Williamson; Robin J. Heyden. Biology: Exploring Life. Boston, Massachusetts: Pearson Prentice Hall. 2006. ISBN 0-13-250882-6. 
  4. ^ 第二章 生態學基礎
  5. ^ Kiessling, W.; Simpson, C.; Foote, M. Reefs as cradles of evolution and sources of biodiversity in the Phanerozoic. Science. 2009, 327 (5962): 196–198. Bibcode:2010Sci...327..196K. doi:10.1126/science.1182241. PMID 20056888. 
  6. ^ 生物圈. [2013-12-17]. 
  7. ^ 」Biology Concepts & Connections Sixth Edition」, Campbell, Neil A. (2009), page 2, 3 and G-9. Retrieved 2010-06-14.
  8. ^ 李宏. 海洋中的食物鏈(海洋與科技探索之旅 ). Green Apple Data Center. 2013. 
  9. ^ 王琳麒. 環境新議題:戴奧辛. 科技大觀園. 行政院國家科學委員會. 2008年 [2013-12-17]. 
  10. ^ 衛生組織重新提倡使用DDT抗擊瘧疾. 聯合國. 2006-09-15 [2013-12-17]. 
  11. ^ Paine, R.T. A Conversation on Refining the Concept of Keystone Species. Conservation Biology. 1995, 9 (4): 962–964. doi:10.1046/j.1523-1739.1995.09040962.x. 
  12. ^ 古捷涅夫·弗拉季米爾·弗拉奇米羅維奇. 工業生態學. 北京東城區廣渠門內大街16號: 中國環境出版社. 2014年9月: 10–11. ISBN 978-7-5111-1802-8 (中文). 

外部連結