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第五章 生物與生物間及其與環境的相互關係

生態系中的環境及生物因素

一、 物理環境的因素

1.1  光度

?        受季節、高度和天氣的影響。

?        植物方面

Ø      植物有適應性特徵以獲取最大光度進行光合作用。一些陰暗處生長的植物有薄而闊大的葉片以增加吸收陽光的面積。葉都是正向光的。

Ø      影響水生植物的分佈(因為光的強度和質素隨着水深而改變)。水面:綠藻;水底:紅藻。

Ø      除強度外,光照期photoperiod)亦影響植物的開花結果、種子萌發等表現。

?        動物方面

Ø      陽光的紫外線被鳥類和哺乳類動物皮膚吸收以合成維生素D,有助調節鈣的代謝。

Ø      光強度過高會增加突變的機會,引發較高機會的皮膚癌。

Ø      光照期亦影響某些動物的繁殖、鳥類的移遷、冬眠。例如香港的麻雀於春夏的長光照期時性器官會成熟。

Ø      光的出現影響夜出動物(nocturnal animals)和晝行動物(diurnal animals)有不同的活動時間。有些動物是負向光的,如蚯蚓,有助減少水分從濕潤身體表面流失。

 

1.2  溫度

?        溫度影響酶促反應的速率及代謝速率,因此影響生物的活動及分佈。

?        水有較少的溫度變化,因此溫度對陸上生物的行為及分佈的影響較水中生物明顯。

?        植物方面:

Ø      陽光於地球表面不平均分佈,使兩極之間有不同的植物分佈:赤道是熱帶雨林(tropical rain forest),溫暖的南方是溫帶落葉林(temperate deciduous forest),較寒冬的北方是針葉林(coniferous forest),北方的是凍原(tundra)。

Ø      每上升1000米溫度會下降5.5oC,在高山上亦見類似的分佈。

?        變溫動物:

Ø      不能維持體溫,活動力受外界溫度影響。

Ø      5oC34oC之間,溫度提高,活動力提高。此狹窄的溫度範圍局限了此類生物的分佈。

Ø      極端高溫時某些動物(如蜘蛛、青蛙、爬行動物)會進行夏眠(aestivation)。

Ø      低溫時動物會有行為上的適應,如蝴蝶會維持於不活躍的蛹過冬,魚會移遷至較溫暖的深水,青蛙和蛇會進行冬眠(hibernation)。生活於寒帶的動物體形較大,減少面積與體積比以減慢熱能散失。

?        恆溫動物:

Ø      低溫時鳥會移遷至較溫暖地區;哺乳動物發展較厚皮毛。

Ø      熱帶動物體形較小,增加散熱的效能。

 

1.3  氣體

?        二氧化碳

Ø      溶於水形成碳酸,影響泥土內水分的pH,繼而影響植物生長。

Ø      與鈣結合形成動物的骨骼和外殼(CaCO3)。

?       

Ø      參與於動植物的需氧呼吸。空氣中氧佔較高比例,對陸上生物而言氧供應充足;水的含氧量受多個因素影響:流動的河流含氧量較高,被有機物污染的水源含氧量下降(因細菌繁殖消耗氧),繼而影響某些動物幼蟲的生長(如蜻蜓)。

 

1.4 

?        水是原生質的必要成份,因此無論水生或陸上的動植物的分佈皆受水的影響。

 

1.4.1      植物的分佈

?        :沒有防水的角質層,所以必須於水中生活

?        :難以於乾旱處把雄性配子帶到雌性配子處,需要水以進行體外受精,所以需要於潮濕環境生長。

?        裸子植物被子植物:雄性配子受保護以避免失水,能於陸上進行體內受精。不同物種因其適應力之分別而生活於不同生境中。較潮濕的赤道主要是熱帶雨林,較乾旱的寒帶則是針葉林。

?        水生植物hydrophyte)和旱生植物xerophyte)是適應力較特別的植物。

 

1.4.2      動物的分佈

?        動物都是趨向於水源旁生活(如河流、湖、池)。人類文化也是由水源開展,如中國人(黃河)、埃及人(尼羅河)、古巴比倫人(幼發拉底河)等。

?        控制水分流失較差的動物都需要生活於潮濕地區;蚯蚓於潮濕的洞穴,兩棲動物於水中使皮膚濕潤和進行體外受精。

 

1.5  鹽度(即水中鹽的濃度,影響滲透潛能)

?        若生物生活於一滲透潛能與其體內滲透潛能有大分別的地方,生物會因大量失水或吸水而危害生命。生物需要進行滲透調節osmoregulation)。

?        在淡水中

Ø      低鹽度使水分進入淡水生物,稀釋其細胞質而導致生物死亡。生物要把多餘水分排走。

Ø      變形蟲形成伸縮泡contractile vacuole)排走多餘水分;植物細胞壁因吸水而產生硬脹壓,阻止更多水分進入。

?        在海水中

Ø      高鹽度使生物失水。

Ø      角鯊(dogfish)保留較多尿素於血液內,減低體內水潛能。

?        在河口

Ø      潮漲時河口的鹽度增加,但潮退後則由於淡水湧入而使水潛能上升。河口生物需要更高的滲透調節能力以適應急速轉變而極端的鹽度。

Ø      例如紅樹林植物能直接把鹽排走。

 

1.6  泥土

?        泥土提供食物及庇護給細菌、真菌、蟲及昆蟲,亦為植物提供水、礦物鹽及支持。因此泥土影響動植物的生長和分佈。

 

二、 生物的因素

?        按照生物在生態系內的角色以維持生態系的平衡。

 

2.1  生產者

?        綠色植物(自養生物)吸收光能,把簡單的無機物合成為複雜的有機化合物。

?        生產者為所有消費者生物(異養生物)提供食物。

?        以淡水生態為例,生產者主要有兩類:

I)      巨型植物:通常生長在岸邊或以浮葉生長在水面。

II)     浮游植物phytoplankton):簡單,生活於淺水的藻類植物。浮游植物往往是水系生境中最重要的生產者。

 

2.2  消費者

?        異養生物,以攝食吸取有機物質為食物。絕大部分是動物。

?        初級消費者:草食性動物和其他浮游動物zooplankton),以進食植物(生產者)為食物。

?        次級消費者:肉食性動物,進食初級消費者的細小動物。

?        三級消費者:巨大的肉食性動物,進食其他次級消費者。

?        腐質消費者:食腐質動物detritivores),進食腐質(當有機化合物或生物屍體被分解時所形成的微小的有機分子)。

 

2.3  分解者

?        主要是細菌真菌類生物。透過其腐生活動把生物屍體內的有機物質分解成簡單化合物。這些產物可以被植物再吸收,使生態系內的物質能夠不斷循環。

 

三、 生物之間的相互關係

?        在同一生境中,物種之間往往是互相影響的。

?        生物之間有兩種不同的相互作用:

?        種內的相互作用:同一物種的個體之間的相互作用,有些是互相幫助的(如蜜蜂),也有些是互鄉競爭的關係(如競爭陽光、水、食物、交配)。

?        種間的相互作用:不同物種的個體之間的相互關係,也可以是互助或傷害性。

 

3.1  競爭Competition

?        在同一生境內,當兩個生物個體需要從環境獲取相同的資源時,兩生物個體會強烈地互相影響,形成競爭的關係。

?        在植物內,競爭的資源主要是陽光、水、礦物質和生長空間。

?        在動物內,競爭的資源主要是食物、生活範圍和配偶。

 

I)    種內競爭intraspecific competition

?        同一種群內不同的個體爭奪同樣的資源。由於所有個體分享相同的生態位(ecological niche),牠們需要競爭各方面皆相同的資源,故競爭會非常激烈。

?        例:以水研究種群密度對生物的影響

當種群達到很高的密度時,資源的限制將嚴重影響其增長率。

把水蚤以不同密度(每毫升一隻、每毫升四隻等)的情況下生長,發現最低種群密度的狀態下的出生率會最高。然而無論在哪個密度內,隨着數量的提升,密度增加,生長率皆會下降。

 

II)   種間競爭interspecific competition

?        不同種群的個體爭奪相同的資源。競爭對雙方的影響視乎兩個種群對該資源的倚賴性。

?        例:兩個不同種的草履蟲Paramecium caudatum vs. Paramecium aurelia之間的競爭。兩種草履蟲都爭奪細菌作為食物。

 

3.2  捕食Predation

?        一個物種攻擊並殺死另一物種的關係,通常捕食者(predator)的族群數量遠遠比獵物(prey)小,以致有足夠食物支持牠們。

?        例:纖毛蟲Didinium nasutum會進食草履蟲Paramecium caudatum

?        實驗一:把五隻草履蟲放進含有細菌(食物)的錐形瓶內。

       結果:第二天草履蟲數量達致120隻。

?        實驗二:第二天後放入兩隻D. nasutum

       結果:草履蟲的族群急速下降,而纖毛蟲數量上升至最高20隻。

草履蟲全部死亡,從瓶內消失。稍後纖毛蟲亦消失。

?        分析:

n      捕食者(D. nasutum)族群量的改變是隨着獵物(P. caudatum)的族群而變化的,但相對會滯後。

n      在這實驗中,捕獵者能找到所有獵物,並把牠們全部吃掉;後來纖毛蟲因缺乏食物而死亡。

?        在自然環境內,通常獵物仍然能夠繼續生存,因為

n      獵物能逃走,速度亦較高;

n      獵物有地方躲避捕獵者;

n      獵物能於其他地方繁殖。

?        所以獵物和捕食者的關係往往是有規律波動的曲線。

?        捕獵者和獵物的關係是平衡的,但人類的活動卻影響了這平衡。

 

3.3  共生Symbiosis

?        當兩個不同物種的生物出現以親密聯繫的形式共同生活,這關係稱為共生。

?        在這共生關係中,視乎對個別個體的影響,大致可分為三大類:互利共生(mutualism),片利共生(commensalism)和寄生(parasitism)。

 

I)    互利共生

?        兩個物種之間互相倚賴,在關係中各自獲得益處。這關係對於兩個物種而言往往是必要的(若失去對方會導致死亡)。

?        例子:水螅和單細胞綠藻、地衣(藻+真菌)、分泌纖維素酶的微生物和反芻動物固氮細菌和豆科植物等、牛背鷺和牛。

?        一些單細胞綠藻生活於水螅的內胚層細胞之內,過程中綠藻進行光合作用,為水螅提供食物和氧;同時綠藻得到保護、二氧化碳和含氮化合物。

?        地衣是真菌和藻類生物的互利共生體。真菌把藻類完全包圍,減少藻類水分流失,幫助藻類依附於環境和提供水分;同時真菌從藻類獲得食物。

?           分泌纖維素酶的微生物生活在反芻動物(如牛)的消化道內,從中得到保護和食物供應;它能分泌纖維素酶,協助哺乳動物消化植物組織內的纖維素成簡單的糖類。

?        固氮細菌(Rhizobium)生活於豆科植物的根瘤之內,把大氣中的氮轉化為銨(ammonium)和其他含氮化合物,植物吸取後可用以製造氨基酸;豆科植物則為細菌提供保護和食物。

 

II)   片利共生

?        關係中只有一個物種獲益,另一物種不受影響。

?        通常片利共生的關係不是永久的,個體之間亦未必有緊密聯繫的結構。

?        例子:海葵和寄居蟹:寄居蟹移動時帶動固着的海葵,亦增加了海葵外圍的食物量。

?        印魚(Remora)把胸鰭變成肌肉吸盤,依附於鮫魚表面上,以其食物碎屑作為食物,亦省卻了移動所需的能量。

?        附生植物(epiphytes)生長在其他植物的表面上,從而獲得支持,並更易獲得陽光。附生植物包含藻、蘚和一些爬行的植物,由於是一些較矮小的植物,往往被其他植物的樹冠遮蓋大部分陽光。

 

III)  寄生

?        共生關係中一隻生物依附於寄主,從寄主身上獲得好處,如營養。寄主因而受傷害(利益減少)。

?        分為兩大類:

n      內寄生物(endoparasites)-寄生於寄主體內的寄生生物,如絛蟲。

n      外寄生物(ectoparasites)-寄生於寄主表面的寄生生物,如菟絲子。

?        寄生生物往往有較強的適應特徵,更有效進行其寄生生活。

?        絛蟲(分類屬扁形動物門)及其寄生生活:

A. 外表分為三部分:

 

 

體節

 

B. 內部結構及特徵:

消化系統

 

呼吸系統

 

活動系統

 

排泄系統

 

感覺系統

 

繁殖系統 

 

生活史

1. 成蟲(於第一寄主-人)

2.

3. 囊尾幼蟲(於第二寄主-豬)  

C. 適應性特徵:

依附於寄主

 

生活於體內

 

獲取營養

  

缺乏氧氣

 

寄主的反應

  

繁殖的適應

  

入侵寄主

  

 

四、 生態演替Succession

?        若群落是某特定空間內的所有生物的統稱,種群之間的相互作用使群落從一個階段轉變為另一個階段,這過程稱為演替。

?        在一荒蕪的地方,最先能適應和生長的生物稱為先鋒群落pioneer community)。先鋒群落主要是地衣。

?        先鋒群落的生長增加了泥土的含量,隨着地衣殘骸的分解亦增加了其肥力,提供養分讓小型植物生長,如蘚。

?        其後蕨類植物的生長進一步增加泥土的有機物,產生更多腐殖質,使有花植物、灌木和喬木亦能生長,形成頂極群落climax community)。

?        由荒蕪之地首次被生物形成群落的演替過程稱為「初級演替」;一個原有生物的地方變成荒蕪(如經歷山火),隨後再形成群落則稱為「次級演替」。

 

閱讀資料

生態演替

生態系由生物及非生物組成,二者的相互作用,在自然界中產生了一穩定及自持的系統。縱使氣候及地形並無改變,某些生境中的羣落都會在一頗為固定的程序上進行演替。該自然變化程序稱為生態演替,通常由現存生物的活動所引致。這些活動逐漸改變環境,令其更適合其他物種生存。這些新物種會和現存的物種進行競爭,結果將舊物種取代。這些新物種在生境中的一段時間內會處於優勢,形成一郁閉羣落。最後,現存物種之活動會進一步將生態環境改變,而令本身不能再與侵入者進行競爭。在生態演替過程中,一羣落取替前一羣落,直至形成一在現存情況下不會再被取替的羣落,稱為頂極羣落。頂極羣落形成後,會保留所佔據的區域,因此該羣落不會將環境改變以適合其他物種生長。除非環境急劇改變,否則頂極羣落不會被取替。

下列例子可說明生態演替的概念:

 

() 熱帶雨林的形成

在一八八三年八月,位於爪哇及蘇門答臘間之克拉卡托破島(Krakatoa)發生了火山爆發,熔岩及火山灰遮蓋了整個海島,令所有生物消失。九個月後,有些藍綠藻在海岸岩石上出現。三年後,類及草在島上的大部份地方出現。七年後,在島上出現了初生的椰子樹,蜥蜴,蛇及大量的昆蟲和蜘蛛。最後,島上再次形成了一個茂密的熱帶雨林,該羣落處於平衡狀態,為一頂極羣落。

上述的例子說明羣落如何於一段長時間中進行循序漸進的改變。這例子中,在光禿的岩石上,除了原始的藻類及地衣外,其他的生物都不能生長。這些藻類及地衣提供食物,給蝸牛及各類分解者。經地衣的活動及風化作用,岩石表面形成薄土層,適合苔蘚類植物生長,而其生長比藻類及地衣更快。蘚類植物會積聚較多的塵土,死去時又會形成較多的土壤,使草及類植物更易生長。這些植物的生長會使岩石破裂。最後使土壤的深度適合樹木生長,而樹木便成為優勢物種。

 

() 紅樹林羣落的改變

紅樹林生於熱帶區域之沿海地區,幼苗(稱為落果)能在淺水區生根及成長,該特性使紅樹能向海中伸展。向四週擴展中紅樹的支往根積聚了土粒及有機物質,使海牀升高。當這些土壤變得較為乾燥時,紅樹林便會逐漸被取替,代之而興的是較適應生長在陸地上的灌木。

 

() 荒地的改變

首先侵入廢置田地及建築地盤而生長的通常是野草。野草的活動令土壤增加,後來,野草便被灌木所取替。同樣地,灌木的活動令土壤再增加,適合樹木生長,最後樹林便取替了灌木。

 資料來源:以撒之家