環境與生態學- Environment and Ecology

1. 環境與生態學-Environment and Ecology . 宜蘭大學動科系/有機產業中心 陳永松

2. Definition of Ecology • 1866 Ernst Haeckel: the comprehensive science of the relationship of the organism to the environment (德國生物學家Ernst Haeckel所提「Oekologie一詞代表研究動物與外界環境關係的學問」)。 • 1927 Charles Elton: Scientific natural history • 1963 E. P. Odum: The study of the structure and function of nature • 1972 C. J. Krebs: The scientific study of the interactions that determine the distribution and abundance of organisms

3. Ecological spectrum Biosphere, Landscape, Ecosystem, Community, Population, Organism, Organ system, Organ, Tissue, Cell, Subcellular organelles, Molecules Branches of Ecology Chemical, Molecular, Physiological, Behavioral, Population, Community, Ecosystem, Landscape, Evolutionary, Theoretical, Conservation and management, Biodiversity

4. Methods of studying ecology • To understand, describe, explain, predict and control • Scale • Lab experiment, field experiment, natural trajectory experiment, natural snapshot experiment, mathematical model

5. Part 1. Introduction • 生態學，研究生物與其物理和生物環境間的互動關係。 • 人口成長、經濟、社會和政治的全球化，工業、農業和林業，持續從自然世界挖掘能量和物質，滿足人類的需求。這些已經對目前自然世界造成極強大的衝擊……

6. Part 1. Introduction • 自然世界原本是有秩序的，美麗的與複雜多元的。 • 生態學者源自對自然世界的「好奇心」，因而提出無數的相關自然的形態與功能的問題。這些問題是進一步發現與實驗的動力。

7. Part 1. Introduction • 第一步，將帶領我們學習要如何經由提出問題，進而瞭解自然世界的秩序，以及我們的認知對瞭解的影響與限制。 • 第二步，只是單純的觀察和提問題，仍是不夠的。對問題的解答，還要經由實驗，有系統的取樣。

8. 第一章 自然世界的秩序 • 無數的動物、植物和微生物生活在地球上。 • 每個物種都有其獨特，來自其親緣祖先的形態、生理和行為的組合。 • Ecology 就是探討這些於自然世界的生物之生活。 • 各種生物，包含人類的生活，都依賴自然世界。 • 我們生活所需的氧氣、水源和糧食，終究是來自自然世界。

9. 第一章 自然世界的秩序 • 人類與自然的關係，還有文化的層次。 • 藝術、音樂、和文學，以及科學研究的靈感，許多是起源於自然世界。 • 這本教科書的封面圖畫，就是畫家對自然的詮釋。 • 生態學者也是經由感官，探討自然世界的本質。

10. 1.1 我們可以於自然世界，觀察出patterns(模式 形態 模型方式….) 生態的問題(ecological questions) • “What” questions are the engines of initial discovery. • 例如：What are the different kinds of trees in the forest? • 相關功能的問題 • How does the female wolf spider select a male with which to mate?(Fig.1-1)

13. 1.2 自然世界是多樣的、複雜的、和環環相扣的1.2 自然世界是多樣的、複雜的、和環環相扣的 • 熱帶雨林內，有數百種的樹木；數百種的蝴蝶和蛾類，以及數千種的其它昆虫。 • 這些物種間，有許多的相互關係。

14. 1.3 自然世界是變動的，但它也是穩定的，且可以自我補給的。1.3 自然世界是變動的，但它也是穩定的，且可以自我補給的。 • 所有的自然體系都受到干擾(氣候、火、倒木、各種動物的活動)。 • 因而持續處在改變或恆定間的衝擊壓力。 • Renewal and replenishment are also characteristics of the natural world.

15. 1.4 自然世界是以物理的和生物的過程，組織起來。1.4 自然世界是以物理的和生物的過程，組織起來。 • 自然世界是有節奏或型態(patterns)、組織(organization)、以及環環相扣的。因此是可預測的。 • 預測的來源，可有兩方面： • 其一是觀察所得的經驗(observe) • 其二是對patterns內含機制的瞭解(understand) • In Science, empirically observed patterns often precede discovery of the causative principles.

16. 1.5 自然patterns 可以用天擇的演化觀念來瞭解? • 1800s早期，地質學者Charles Lyell，提出假說，地殼的面貌是經過緩慢的地質變動所形成的。於這些不同年代的地層中，可以發現不同時期生存過的生物。 • 1809法國的自然學者 Lamarck於其著書 Philosophie Zoologique中，生物的演化概念，並說明其演變的動力是 inner drive to improve themselves.

17. Charles Darwin • On the Galapagos islands, lying near the equator about 900miles off the west coast of South America. • Darwin observed a variety of small finches. • After nearly twenty years of pondering his observations of nature, Darwin finally proposed the idea of evolution by natural selection at the urging of a friend (Wallace).

18. Natural selection • Natural selection works only on heritable variation. • The process of natural selection operates at the level of the individual, but evolutionary change is a population phenomenon.

19. Natural selection • Natural selection is considerably more benign. Individuals enter the world possessing a suite of features that adapt them to their environment. • Evolutionary change does not proceed toward some ideal form or being, nor does it necessarily lead to greater complexity.

20. Mechanisms of evolution(範例) • 工業黑化症(Industrial melanism) • 地區：英國的工業區，(Fig.1-14a /b) • 斑點蛾 (common peppered moth; Biston betularia) • 時間：100年 • 現象：過去深色的鮮少，工業發展後，深色的增加，而淡色的相對減少。 • Why？

22. Industrial melanism • 英國的生物學者 Kettlewell (1955,1956,1959) • 標記後再捕(mark-recapture experiment (Table1-1) • melanics (深色的) 再捕獲率比較高(34% vs. 16%) • Why? • Fig.1-14 • 鳥類的捕殺？ Table 1-2 • 污染改善後？ Fig.1-15

23. Table 1.1 Results of Kettlewell’s mark-recapture experiment

24. Table 1.2 Bird predation on typical (light) and melanic (dark) forms of the peppered moth (Individuals taken by birds)

25. 1.6 感官能力影響和限制我們對自然的瞭解。(Perception influences and limits our understanding of nature) • 因為我們的個體大小和行動能力，我們只能感應到特定的時空範圍。我們所觀察到的世界，與水蚤(water flea)(Fig.1-16)的認知不同。 • 數千年壽命的紅檜所經歷的環境變遷，也有別於我們只有數十年生命的人類。 • 工具讓人類可以拓展觀察的時空，但總是有限度。

26. 時空大小的影響 • 自然世界運作原理，也受到時空量度的影響。 • 一隻跳蚤可以跳過它的体長的數百倍高度。我們可能就會聯想到這就如同人可跳高至兩個足球場的長度。如此的跳高能力，代表跳蚤運動很強嗎？ • 其實不然，隨著大小的改變，運動的作用情況也隨著改變。

27. 時空大小的影響 • 大鳥飛翔，每秒鐘可以拍動翅膀2-20次。小昆虫則可以拍動翅膀高達500次。 • 這是因為翅膀大小的差別，而造成拍動時間的改變。 • 長度愈短，擺動愈快。長度愈長，擺動則愈慢。

28. 1.7 自然史是瞭解生態的基礎。 • 假想我們到加州南部的 Mojave Desert。 • Little rain, searing summer heat, chilling winter cold. • 沒有生物，只有一些 struggling plants。 • In the early morning of one day in January • as the morning sun warms the desert, there is sudden life everywhere. Swarms of insects and other creatures appear on the sand, scurrying , and flying….

29. 沙漠上 的紅點 • 我們注意到地面上出現數千個紅點，我們就跪下來想看清楚這是什麼？ • 幸運的有瞭解沙漠生態的生態學者Lloyd Tevis 和Irwin Newell陪伴，告訴我們這就是giant red velvet mite (Dinothrombium pondorae)，恐怖的凝結，如同血液的凝結。(Fig.1-17) • Where it lives, what it eats, and its reproductive behavior?

30. Giant red velvet mite (紅色天鵝絨蟎) Contributed by Troy Bartlett

31. Giant red velvet mites • 經過四年辛苦且耐心的觀察，發現成体在地面上出現只有10次，而且都是在12月、1月和2月寒冷月份。 • 根據觀察所得的經驗，Tevis and Newell預測牠們的出現會是在雨量達3/10英吋後的第一個晴天之早上。 • 我們來到的第一天，這些mites從地下出來是在早上的9:00-10:00，然後到處流竄。中午11:30-12:30，這些mites又鑽入沙內，將等到下一年才會再出現。

32. Giant red velvet mites 的覓食和生殖 • 這些mites每年只有出現在地面上2-3小時。這個短短的2-3小時，牠們必要覓食且覓偶(mating)。 • 同一天，白蟻也大量出現，這就是mites的食物。Mites無法捕獲空中飛翔的白蟻，所以要等到其落到地面。在白蟻鑽入地面下之前，mites 就必要去捕食。 • 同時，雄性的也要去找雌性交配。

33. Giant red velvet mites 的繁殖 • 雄性都會找正在吃食物的雌性。 • 因為？ • 當牠們覓食和交配完成後，牠們會慢慢的聚集在適當的沙地，然後幾乎是同時但個別的鑽入地下。挖地道，須要持續幾天。然後隨著氣溫狀況，調整其在地道深淺的位置。 • 雌性於早春就產卵，卵快速孵化，young mites 即爬出地面，找尋寄主，通常是蚱蜢。直至成体，再離開寄主，進入地下。

34. 1.8 自然的秩序受到人類活動的影響。 • 地區：東非洲的維多麗亞湖(Lake Victoria) • 時間：自1954年起 • 情況：約有 3千萬人的食物，部份或全部都來自此湖泊。這個湖泊約有300種魚類(主要是cichlids)，是adaptive radiation的最佳範例之一。 • 事件：引入 Nile perch，large predator(Fig.1-19) • 結果：整個Lake Victoria的生態狀況，發生巨大的改變。

35. Lake Victoria的漁業生態 • 隨著Nile perch(鱸魚)族群(掠食cichlids)的增加，原本的cichlids(慈鯛)顯著的衰減。 • 因為能量從草食轉換到肉食，能量的耗損，整個湖泊的魚類總產量銳減。 • 同時，因為Nile perch體型大，無法用傳統的小船來撈捕。商業大漁船引入，徹底摧毀當地的傳統漁業。

36. Lake Victoria的漁業生態 • 由於Nile perch的肉質較粗較油，人們比較不喜歡，所以就須要經過燻製。傳統的魚類是直接曬乾。 • 為要燻製，所以就擴大伐木，作為燃料。 • 另外因為草食魚類的減少，再加上人口的增加，有機污染物的流入湖泊，因而造成優養化。 • 自從1980s，Nile perch 發生不明原因的大量死亡案件。

37. 生命要留白?或要揮灑?

38. 若不留白的話，我們能為環境或人類做什麼? • 55歲的你，在想些什麼？ 可以做些什麼？ • 65歲的你，希望成為什麼樣的地球公民？ • 可以在回歸自然之前，種下1萬棵樹嗎？

39. 思考議題…. • 生態的價值 • 生命的意義 • 食物的價值 • 農地的價值 • 農業=產業? • 農業=生活文化=生命態度 • 還要繼續吃石油嗎？ • ?? • ??

40. 飯店攬客狩獵 網友反制 • 「請一人一電勸阻南橫天龍飯店招攬遊客狩獵活動！」南橫台東端的天龍飯店最近舉辦「布農勇士體驗營」，以布農族人帶領遊客入山打獵，標榜使用合法獵槍，號召遊客報名，兩人成行每人收費385元。此舉引發關心生態保育的網友不滿，上周發起一人一電反制行動，飯店不堪其擾，緊急停辦活動，也避免了一場野生動物浩劫。 中國時報A11/話題2005/12/15

41. 清境超大型神秘假民宿開發案 2007/3 山坡地正在大興土木

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