生物群落與生態系

 

除了在動物園或旅行馬戲團之外，你不會期望在溫帶地區中遇到大象。同樣，在寒冷地帶棕櫚樹不會發芽，在世界海洋中也不會出現大量的淡水魚。這是因為地球上某個地區的環境條件並不適合所有生命形式。地球上的每一個生物都有一個特定的地方稱之為家(生物棲地)，科學家將這些地理區域劃分為生物群落和生態系統。本文將詳細解釋了這些概念，以及創造和維持生命的方式，生物及其非生物環境如何保持自然平衡，以及維持地球生物及其棲息地之間健康多樣性的重要性。

以科學角度來看，生命是一個自上而下的命題。最高層是生物圈，它是地球系統中支援生命的一部分。生物圈向下延伸到較小的組成部分，包括生物群落和生態系統。每一個生物群落都是地球上一個巨大的區域，那裡有著類似的動植物，它們適應了該地區的氣候。一般來說，生態系統與生物群落相似，但非生物或非生物元素也有助於定義它們。生物圈中較小的單位包括群落和棲息地。

對地球生物群落和生態系統的研究始於對生物圈本身的調查。生物圈僅與地球直徑相對較薄，它覆蓋了整個行星表面，向上延伸到大氣中，向下延伸到地球表面下的土壤和岩石中。這一層的生命屬性是由太陽的輻射能提供動力的。植物和其他類似植物的有機體吸收這種能量，並通過光合作用將其轉化為化學能，主要是碳水化合物。當植物被食草動物消耗時，能量流通過食物鏈，而食肉動物又會消耗這些植物。在鏈的每一個環節，能量的效力都被稀釋了。然而，儲存在植物體內的大部分能量從未進入食物鏈。它腐爛形成植物生長的土壤。

能源並不是生物圈中唯一能傳遞的東西。細胞生長所需的許多關鍵營養素在植物、動物和較小的生物體中循環，這些生物體在死亡後會分解。這樣循環的六種主要營養素是氫、氧、碳、氮、硫和磷。任何一個營養循環的改變都會顯著改變動植物甚至人類生存和繁殖的能力。

隨著生物圈經過數十億年的進化，它所維持的生命形式也在進化。隨著時間的推移，每一個都會影響到另一個。例如，生活在海洋中的細菌，地球上已知的最早的生命形式，從大氣中獲得的營養物質比今天的二氧化碳濃度要高得多。一些細菌獲得了代謝二氧化碳並作為副產品釋放氧氣的能力。在這些生物處理了大量的二氧化碳之後，氧氣充斥大氣，為生物圈的擴張和陸地生物的進化鋪平了道路。溫度的劇烈波動，如冰河時期的波動，海洋中溶解氧含量的變化，以及其他氣候或生態事件，使得任何特定時期的動植物都必須適應或面臨滅絕的風險。自然現象，如火災或火山活動，以及人類的行為，包括過度捕獵或捕魚，以及為住房和發展而侵佔食物區，也在某些動植物物種的進化或滅絕中發揮了作用。

為了更有效地研究和更好地瞭解生物圈，科學家們把生物圈分成了更易於管理的部分。將地球生物圈分解成由植物和動物所定義的區域，這些區域被統稱為生物群，這是一個被稱為生物地理學的概念。以這種方式識別生物地理區域的歷史可以追溯到19世紀中期；這一領域的研究參與了查理斯達爾文在進化論方面的開創性工作。曾經，生物地理區域僅僅是建立在特有生物區系的邊界上，這些生物群是已知僅存在於有限區域的動植物。然而，現在有一些公式考慮了物種範圍的差異，從而從數學上推導出一個地區的總體相似性。

全球生物地理分布的植物群(flora)分佈被劃分為植物地域(kingdoms)，而動物界(fauna)則劃分為動物領域(realms)。六個植物大地理域及其副分域在顯著性上大致與三個主要動物領域一致。換句話說，生物地理區域幾乎總是包含來自重疊的植物地理域和動物界的特有生物群。南非的南端開普敦地區，是這一普遍規律的唯一例外。開普敦的動物不是該地區特有的，而是整個非洲的一部分。只有豐富，獨特的植物生命在這一地區有足夠的分化，以保證其自己的領域命名為卡彭斯領域(Capensic kingdom)。

在生物地理區域內有稱為生物群落的單元。每一個生物群落所包圍的區域在整個過程中經歷了相似的氣候條件，包含了相似的地質特徵，並且是幾種生物群的家園，這些生物群能夠在這些空間和特定條件下生存和繁殖。生物群落可以是陸地的，也可以是水生的。

由於生物群系中的生物區彼此非常接近，並且有規律地相互作用，因此生物複合體通常被稱為生物群落。就像人口眾多的社區一樣，生物的社區由各種各樣的居民組成，它們在有限的區域內共享生活空間。每個生物社區群體在面對來自其他社區入侵或自然災害的逆境時也表現出傾向於團結在一起的傾向，一旦威脅離去，他們就會重新團結起來。生物群落的居民與其生物群落環境之間的關係是共生的。氣候變化可以改變物種的進化。同樣，物種的滅絕或清除也會破壞食物鏈，甚至破壞氣候狀況。這種相互依存強調了生物多樣性的重要性。歸結為簡化的本質，地球上的生命是由不同的個體實體維持的群體動力。更簡單的概念是，每一種有生命的事物和無生命的事物都在地球的生存中起著不可或缺的作用。沒有足夠的生物多樣性，養分循環就會中斷，生態系統崩潰，生物群落的組構也會發生變化。

在科學術語中，“生物群(biome)”和“生態系統(ecosystem)”似乎意思相同，或可以互換。然而，兩者之間是有區別的。生物群(biome)主要是根據一個地區的生物群體來指定的，它比生態系統小，生態系統(ecosystem)也考慮到一個地區的非生物物體，如土壤、水和礦物。生態系統跨越一系列的尺度。生態系統可能尺度不同，可以發生在不同的水滴中，可以指一個景觀的不同部分（如一棵樹或一叢灌木），可以指一個大景觀(草原或森林)和另一個大景觀(農村或城鎮)的組合，或是指一個集水區流域、一個大地理區，甚至陸地、海洋。事實上，地球生物圈也常被稱為全球生態系統。

為了更好地瞭解地球上的生命是如何運作的，科學家們注意到了每個生態系統中發生的物理和生物活動，以及在相隔很遠的相似生態系統中出現的模式。例如，對世界各地不同山脈的氣候和特有生物群的研究已經獲得了關於山區生態系統的一般資訊。山地高地維持著健康數量的生物群落，儘管動植物種群比低地生態系統更加分散。此外，海拔越高，居住的物種就越少，這是因為在山頂上和附近發現的惡劣生存條件。

山地生態系統具有相似的植被模式：較低的山坡上有樹木，上面是矮小、肥沃的高山植被。樹的生長在“樹線(樹木生長邊界)”處突然停止，標誌著生長區域在哪裡轉換優勢。儘管生長在山脈上的具體樹木類型各不相同，但每一個山地生態系統都有一條樹線，那裡的植被顯示出高度的生物多樣性，因為樹線以下的一些物種和上面的一些物種在此位置相遇。一般來說，在山地生態系統中，松樹和雲杉等針葉樹生長在北溫帶山脈上，而落葉(闊葉)樹棲息在南溫帶山坡上，在熱帶地區，一種被最好地描述為“常綠雨林”的植物。山地動物群主要是來自周圍低地生態系統的物種，它們已經適應了在山區氣候中生活。

多年來對海洋生態系統的仔細研究使科學家們更好地理解和界定世界海洋的形狀和深度。科學家們還收集了關於遠洋一級複雜食物鏈的資訊，遠洋是海洋的一個區域，幾乎包括了生態系統中的所有生命，除去稱海底生物（深海區和淺海大陸棚區）的生物群。沿海生態系統的各個食物鏈相互聯繫，形成了所謂的食物網，多條食物鏈相互交叉，又形成了一個更巨大的食物網。浮游生物是海洋生態系統中的主要食物來源，其可利用性受到季節性模式的影響，這在某種程度上類似於人類領域中水果和蔬菜的季節性供應。浮游生物群落由浮游植物（具有光合作用）和浮游動物（非光合作用）組成。洋流、到達特定水域生物區的陽光量以及浮游生物的繁殖週期也會影響到海洋生態系統中的食物供應和各種生命形式。

科學家還研究一個生態系統和另一個生態系統之間的關係。與在毗連的國家土地上建立行政區的劃界不同，生物地理邊界並不是特別嚴格的劃分。相互鄰接的生態系統可能會經歷一些重疊。這種重疊區域被稱為交替帶(ecotone)。實際上，一種生態系統實際上是由陸地生態系統和水域生態系統之間的過渡帶來定義的。比如河口和瀉湖，當一個水體與另一個水體相遇時形成(比如河流水系與海洋)，也被認為是邊界生態系統。

在邊界生態系統中，植物數量巨大且豐富。從這兩個生態系統中提取的營養物質組合出現在這些過渡地區。與森林深處和海洋的深處內部相比，邊界生態系統的特點是日照量增多、物質與養分流動更快，因此生產力更高。額外的陽光能促進更多的光合活動。因此，在森林邊緣以及瀉湖、河口和濕地的淺水區，有更多的能源可供植物生長。在邊界生態系統中，當植物從增加的陽光中受益時，依賴它們的動物則從植物生產力的提高中受益。

濕地在這一類群中特別獨特，而且命名恰當，因為它們既不是陸地的也不是水體，而是兩者兼而有之。

這些濕地生態系統可能更為人所知的具體名稱：泥炭沼澤、草地沼澤和樹林沼澤。生活在濕地的動植物已經適應了生活在一個乾燥透氣到被水淹沒的乾濕交替土壤環境中。

在瞬息萬變的世界裡，適應和調整的能力是生存的關鍵。幾億年來，地球已經被極端氣候變化、物種進化和自然災害所改變。然而，現代物種和生態系統的多樣性組合已經出現，它們相互作用形成複雜的組合。這些聯繫傳遞能量和循環營養，創造出地球上豐富多彩的生命織錦。儘管地球生物圈面臨著人類活動的威脅，如過度開發和污染，但所有形式的生命都不容易被勸阻。整個地質時期世界生物群落和生態系統的存在和永存就是證明。