高中生物｜選修生物IV

在地球漫長的演化歷史中，生命展現出令人讚嘆的豐富面貌。從微觀的基因差異，到巨觀的物種與各式各樣的生態系，生物多樣性不僅是地球生命力的表現，更是人類賴以生存的基石。 生物多樣性 一、 生物多樣性的三大層次比較 生物多樣性（Biodiversity）又稱為生物歧異度，目前泛指生命在基因、物種、生態系三個不同層次的多樣性： 層次項目 基因多樣性 (Genetic Diversity) 物種多樣性 (Species Diversity) 生態系多樣性 (Ecosystem Diversity) 意義與定義 同一物種的個體間遺傳結構多樣化的程度。 指一群集中不同物種的數量，可由物種豐富度與物種均勻度來表示。 一地區可提供生物棲息的環境多樣且有變化，則其生態系多樣性高。 成因機制 演化過程中同一物種中特定基因突變產生新的等位基因，或淘汰某些等位基因。 透過地理隔離與生殖隔離累積遺傳變異而產生新種。 地形、地質、氣候的差異，加上環境的變遷，形成多種生物棲所，而其中生物與環境因子的相互影響，產生各種生態系。 經

臺灣雖然面積不大，但因為地形起伏劇烈（擁有兩百多座超過三千公尺的高山），加上橫跨熱帶與副熱帶，造就了極其豐富且垂直變化的陸域生態系；同時，周遭環海、河川密布與溼地交錯，也孕育了多元的水域生態系。 選修生物IV 臺灣的陸域生態系 選修生物IV 臺灣的水域生態系 一、 臺灣的陸域生態系（海拔垂直分帶） 在臺灣，從平地到三千多公尺的高山，氣溫隨著海拔升高而遞減（每升高 1000 公尺，氣溫下降約 6 度C），這使得臺灣的高山生態系宛如一幅「緯度生態的縮影」，從熱帶一路延伸至寒帶。 海拔高度與分帶名稱 代表氣候與環境特徵 典型植物與動物代表 1. 高海拔區 （約 3000 公尺以上） ➔ 高山寒原生態系 - 氣溫極低、強風、積雪期長。 - 生長季短，土壤貧瘠。 - 紫外線強烈。 - 植物：玉山圓柏、矮盤灌木、高山寒原草本植物。 - 動物：臺灣斑鴨、臺灣野山羊、高山白腹小海鴞。 2. 中高海拔區 （約 2000 ~ 3000 公尺） ➔ 針葉林生態系 - 氣候寒冷、多霧、降雨量豐富。 - 以裸子植物為主。 - 植物：臺灣冷杉、臺灣雲杉、臺灣鐵杉。 - 動物

在生態系中，能量的流動是「單向消耗」的（最終以熱能散失），而維持生命運作的各種化學元素（如碳、氮等）卻是在生物界與非生物環境之間周而復始、循環利用的。這就是生態學中極為重要的「物質循環」。 選修生物IV 碳循環 選修生物IV 氮循環 一、 碳循環 (Carbon Cycle) 碳是構成所有有機化合物（如蛋白質、脂質、醣類、核酸）的核心骨架，地球上的碳主要以二氧化碳（CO₂）、碳酸氫根、有機物以及化石燃料的形式存在。 碳進入生物界的主要途徑： 光合作用： 生產者（如綠色植物、藻類）利用太陽能，將大氣中或水中的二氧化碳轉化成有機物（葡萄糖），將無機碳固定進入生物體內。 碳在生物體間的傳遞： 透過食物鏈的攝食關係，碳元素以有機物的形式從生產者流向消費者。 碳返回大氣環境的主要途徑： 呼吸作用： 所有生物（包括生產者、消費者、分解者）進行有氧呼吸，將有機物分解並釋放二氧化碳回到大氣中。 分解作用： 分解者（細菌和真菌）分解動植物的屍體與排泄物，過程中也會釋放二氧化碳。 燃燒作用： 燃燒木材或化石燃料（煤、石油、天然氣）會將原本封存地底的碳快速釋放

在生態系中，太陽的光能是如何一步步養育地球上所有的生命？能量在食物鏈中流動時，為什麼會像金字塔一樣越往上越少？而食物鏈為什麼通常不會超過 5、6 層？ 選修生物IV 能量的流轉 一、 營養階層 (Trophic Levels) 目的： 分析生物中複雜的能量流動與物質循環的關係。 定義： 食物鏈中擔任相同功能的所有生物總和。 營養階層的層級架構（由下而上）： 自營生物（生產者）： 自行將無機物合成有機物（如蔬菜、水果、藻類等）。 初級消費者： 以生產者為食的草食性動物（如牛、羊、兔、草蝦等）。 次級消費者： 肉食性或雜食性動物（如多數魚類、蛙類等）。 三級消費者（最高級消費者）： 位於食物鏈頂端的掠食者（如劍旗魚、鮪魚、大西洋鮭等）。 二、 能量移轉率與單向流動特性 十分之一法則 (10% Rule)： 當草食性動物攝食植物後，將花費許多的能量進行消化、排遺或維持生命等活動，同時也有大量熱能散失到環境。 平均大約只剩十分之一的能量會轉存在個體中，約有 90% 的能量散失，僅有 10% 轉移。 十分之一

在地球上，萬物相互依存，共同構成了一個龐大而精密的生命網絡。究竟什麼是生態系？非生物因子與生物因子如何共同影響生物的生存？而生物在生態系中又各自扮演著什麼樣的角色？ 選修生物IV 生態系介紹 選修生物IV 非生物因子與生物因子 一、 生態系的定義與特性 生態系的定義： 群集以及其生存的環境。 生態系的特性： (1) 可以是自然天成、也可以是人工建造。 (2) 範圍可大可小：大至整個生物圈，小如生態球。 (3) 空間上的連續性：相鄰生態系間無明顯界線。 (4) 時間上的連續性：生態系中的環境與生物組成變化階段，無明顯界線。 生態系的組成： (1) 非生物因子： 太陽輻射能、水、溫度及土壤等。 (2) 生物因子： 生產者、消費者、分解者等。 二、 與「生物相」的區別 陸地上因溫度、降雨量的不同，而形成不同的氣候形態，某氣候區內具有共同適應特性的動、植物群集的組合稱之。 當提及某一種特定的生物相時，並非指地球上的某一個地區，而是指具有相同特徵的生物群集組合。也就是說，生物相可以視為許多生態系中生物群集的組

在自然界中，生物群集並非一成不變，而是隨著時間不斷進行著各種動態的轉變。從日夜交替的微調，到經歷大災難後整片森林的重生，這些變遷背後究竟藏著什麼樣的生態規律？ 選修生物IV 群集的動態變化 消長 一、 群集動態變化的兩大形式 自然界的群集隨時間而不斷出現的動態變化，主要可分為以下兩種類型： 內部動態變化： 成因： 因環境的週期性改變而產生。 特徵： 這些變化只是組成該群集的生物族群在種類、數量和活動狀態上呈現週期的改變，長遠來看，該群集的物種組成並無顯著改變。 主要形式： (1) 日變化： 例如動物的晝夜行性、植物的睡眠運動。 (2) 季節變化： 例如溫帶湖泊中浮游藻類的種類與密度變化。 (3) 年變化： 例如候鳥遷徙、魚類洄游。 消長（又稱演替，Succession）： 定義： 指生物群集隨著環境因子或時間的變遷而變化，同一環境內，原有的生物群集作暫時或永久的消失或減少，而由另一個群集所取代的現象。 消長的四大特徵： 消長是有一定次序的群集改變過程，其改變有一定的方向，其結果常是可預期的。 消長是長時間的、連續性的、單向而不可逆的漸進式演替，

在自然界中，沒有任何一種生物能夠完全孤立地生存。從捕食、競爭到共生與寄生，不同物種之間交織出錯綜複雜的生態網絡。這些大自然中的互動關係，正是維持生態平衡與驅動演化的重要力量。 選修生物IV 生物間的交互作用 一、 生物互動關係的類型與經典實例 依據圖表與生態學定義，生物間的交互作用主要可分為以下幾大類： 互動關係 描述與核心生理機制 經典實例 1. 掠食 (Predation) - 生物以他種動物為食的行為。 - 雖然就被掠食者的個體來說，常會受到傷害或死亡，但就被掠食者的族群而言，卻有穩定族群之功效。 - 被掠食者與掠食者常出現「共演化」。 (1) 瓢蟲掠食蚜蟲 (2) 蛇捕食蛙 (3) 松鼠啃食種子 (4) 捕蠅草捕食昆蟲 2. 競爭 (Competition) - 資源包括食物、空間與交配權。 - 資源需求重疊性愈高的兩種生物，通常競爭性也就愈大。 - 可分為種內競爭與種間競爭，種內競爭通常比種間競爭激烈。 - 競爭不一定要面對面接觸。 (1) 鬥魚的同種競爭 (

在生態學的研究中，單一的生物個體如何面對瞬息萬變的環境？當許多同種個體聚集成群時，又會展現出哪些超越個體的群體特性與動態規律？ 選修生物IV 族群的成長 選修生物IV 生存曲線 一、 個體與族群的區別 比較項目 個體 (Individual) 族群 (Population) 定義 可直接利用環境資源而獨立生活的單一生物體。 在特定時間和空間內，許多同種生物個體的集合。 基本單位 是組成生物族群的基本單位。 是組成生物群集的基本單位。 壽命與存在 單一個體的壽命有限，無法長久存在。 族群內的個體之間可以交配繁殖，而能夠綿延不絕。 適應能力 單一個體對環境變化的適應能力有限。 族群內擁有各種不同基因組合的個體，而有性生殖會產生更多的遺傳變異，可提高族群在變動環境中的延續力。 覓食與防禦 單一個體本身在覓食和防禦的力量較弱。 族群內的個體之間可藉由彼此合作，在覓食和防禦上取得優勢。 二、 族群的成長與模式 族群成長的定義： 族群的個體數量隨著時間變化的現象。 影響族群成長的關鍵因素：

在地球漫長的演化歷史中，數以百萬計的物種是如何從共同祖先分化而來的？當原本身處同一大族群的生物因故分開，最終演變為彼此無法交配、互不干擾的全新物種，這整個奇妙過程就是生物學中的「種化」。 選修生物IV 種化的機制 選修生物IV 生殖隔離的種類 一、 種化的機制與模式 種化的定義： 新物種形成的演化過程。 造成種化的機制： 可能由地理隔離開始，後因突變、基因無法交流等因素，使族群間產生生殖隔離，因而產生新物種。 (1) 地理隔離： 因地球表面改變所造成的隔離，例如：海、河、山脈、山谷、冰河、島嶼、人造障礙、沙漠等。 地理隔離能否中止基因流動，與生物的遷徙本性、方式及能力有關。 (2) 生殖隔離： 族群間影響生殖的遺傳變異累積到一定程度，使個體間無法交配繁殖子代。 種化關鍵： 生殖隔離。 物種形成的模式： 依是否有地理隔離分為異域種化、同域種化。 (1) 異域種化： 過程： 地理隔離 ➔ 長時間隔離 ➔ 永久的生殖隔離（差異夠大，因無法交配、受精卵無法發育等，故成為完全不同的物種）。 特色：...

在達爾文提出天擇說之後，隨著孟德爾遺傳學、分子生物學與族群遺傳學的快速發展，科學家對於「生物是如何演化」有了更全面且深入的理解。從整合多門學門的現代綜合理論，到深入分子層級的演化中性理論，現代演化學開啟了全新的視野。 選修生物IV 現代演化理論的發展 一、 演化的現代綜合理論（Modern Synthesis） 定義與由來： 整合天擇說、遺傳學、族群遺傳學及其他生物學門（古生物學、分類學、生物地理學、胚胎學、細胞學等），形成新興的演化理論，也被稱為新達爾文主義。 相關學者： 費雪與萊特： 英國統計學家費雪及美國遺傳學家萊特，用數學方法來推導天擇、遺傳漂變、突變與基因流等現象對生物演化的影響。 杜布贊斯基： 俄裔美籍遺傳學家杜布贊斯基，研究果蠅的遺傳變異來驗證天擇說的內容，認為演化即為等立基因於天擇作用下，在族群基因池中的變化。 現代綜合理論的核心內容： 肯定天擇說為生物演化的動力，天擇篩選遺傳變異並決定了演化的方向。 突變與遺傳重組為生物遺傳變異的主因。 生物演化的單位為族群而非個體。 演化乃起因於族群的等立

在族群遺傳學中，除了天擇會改變基因頻率之外，還有一種純粹由「機率與抽樣誤差」所主導的演化力量——遺傳漂變（Genetic Drift）。當族群規模因為各種天災人禍或地理遷移而縮減時，基因庫會發生什麼樣的戲劇性變化？ 選修生物IV 遺傳漂變,瓶頸效應,創始者瓶頸 一、 遺傳漂變的定義與對族群的影響 遺傳漂變的定義： 族群的等立基因在各世代遺傳時產生隨機抽樣誤差所造成。 遺傳漂變對族群的影響： 對大族群影響不大： 後代易於保持原來的遺傳結構，不易偏離。 對小族群影響甚大： 如因某些因素使族群個體數量大量減少，由剩餘的個體繁衍成的新族群遺傳結構與原族群不同。 二、 導致遺傳漂變與遺傳結構改變的兩大因素 1. 瓶頸效應（Bottleneck effect） 定義： 環境劇烈變動，使族群個體數目急劇降低，少數個體活過此瓶頸並繁衍，但新族群的基因型頻率、等立基因頻率已發生改變。 經典例子： 遭受人類獵殺殘存的北海象族群等立基因的型式減少。 臺灣早期獵殺大量的梅花鹿，後來經復育的梅花鹿族群，其遺傳多樣性少於原有的野生族群。

在演化生物學中，我們如何用數學與機率來描述一個族群正在發生什麼樣的改變？個體的基因型會隨著代代相傳而消失嗎？當族群不受外在干擾時，其基因頻率又會呈現什麼樣的規律？ 選修生物IV 族群遺傳學 選修生物IV 等位基因頻率 選修生物IV 哈溫定律 與遺傳平衡 選修生物IV 哈溫定律的計算 一、 族群遺傳學的核心概念與基因庫 族群遺傳學探討的內容： 探討族群中的遺傳結構，即基因池中等立基因在族群中的比例（頻率）與分布情形。 族群是演化的基本單位，所以一個族群共有一個共同的基因庫。 基因庫 (Gene pool)： 某種生物族群中控制所有性狀的所有等立基因。當有機會將基因傳給下一代時，後代的基因組成可想像成來自現有基因庫中拼湊出。 除了突變外不可能有新的基因型出現，後代的等立基因頻率與現有基因庫中的等立基因頻率有很高的關聯性。 特色： 只有存活個體可以將基因延續下去，故只考慮存活的個體。 主要描述等立基因的種類、頻率，因那是天擇演化的結果。 是一種遺傳多樣性的描述方式：族群量大、遺傳多樣性高 ➔ 基因庫大；族群量小、遺傳多樣性低 ➔ 基因庫小。 等立基因

為什麼北極熊擁有厚重的皮脂與雪白的毛髮？為什麼工業革命前後的胡椒蛾會出現顏色上的戲劇性轉變？大自然中琳瑯滿目的生物多樣性，背後究竟是靠著什麼樣的力量在形塑與篩選？ 選修生物IV 天擇的三種模式 選修生物IV 生物的適應 一、 達爾文與華萊士的天擇推動演化論 達爾文與華萊士共同提出了以「天擇」為核心的演化理論，其核心邏輯與推論包含： 生殖潛能過剩： 生物的生殖潛能常使族群過大（資源有限下的超額繁殖）。 資源有限： 自然環境中的資源（如食物、空間）是有限的。 個體差異： 族群的個體在形態與基因上常有許多差異，某些差異會影響個體獲得資源的能力。 適者生存、不適者淘汰： 競爭環境資源的結果，適者生存、不適者淘汰；即經過天擇篩選後，留存者是已適應環境的個體或族群。 二、 天擇的三種模式 依據環境對不同表徵個體的篩選方向，天擇主要可分為以下三種模式： 天擇模式名稱 機制與核心特徵 經典實例 1. 定向天擇 (Directional selection) - 族群的遺傳結構朝固定方向演化。 - 環境改變時，某個極端表徵獲得優