108 年 國立中山大學海洋科學系碩士班甲組《普通生物學》

科學命名法的核心原則是二名法（binomial nomenclature），由瑞典博物學家林奈（Carl Linnaeus）推廣。其規則如下：

1. 二名法結構：每一個物種的學名由兩個部分組成，分別是屬名（genus name）和種小名（specific epithet）。

   • 屬名：第一個詞，必須大寫開頭。
   • 種小名：第二個詞，必須小寫開頭。
   • 例如：人類的學名是 Homo sapiens，其中 Homo 是屬名，sapiens 是種小名。

2. 拉丁文或拉丁化：學名必須是拉丁文，或是以拉丁文形式處理的詞語（即使該詞語來自其他語言）。這是為了確保學名在全球科學界具有一致性，不受語言變遷影響。

3. 印刷體與手寫體規定：

   • 在印刷出版物中，學名通常以斜體字（italics）呈現。
   • 在手寫文件（如筆記）中，學名應以下劃線（underline）表示，以區別於一般文字。

適應（Adaptation）與順應（Acclimation/Acclimatization）是生物體對環境變化做出反應的兩種不同機制，兩者關鍵區別在於發生時間尺度、遺傳基礎和可遺傳性。

適應 (Adaptation)：

• 定義：適應是指生物體在演化過程中，透過自然選擇而獲得的、有利於其生存和繁殖的遺傳特徵。這些特徵是在長時間的演化壓力下，經過世代累積的基因變異和選擇而形成的。
• 發生時間：發生在演化層級，是跨越多個世代的過程。
• 遺傳基礎：由基因變異和自然選擇引起，是基於基因型的改變。
• 可遺傳性：是可遺傳的，因為它們是基因型的改變，可以傳給下一代。
• 例子：
  • 駱駝的駝峰儲存脂肪以應對沙漠的乾旱和食物短缺。
  • 鳥類的翅膀是為了飛行而演化的結構。
  • 極地動物擁有厚厚的皮毛以抵禦寒冷。

順應 (Acclimation / Acclimatization)：

• 定義：順應是指單一個體在生命週期內，對單一環境因子（如溫度、鹽度、氧氣濃度等）的改變所做出的生理或行為上的調整，以提高其在該特定環境下的生存能力。順應通常是可逆的。
• 發生時間：發生在個體生命週期內，時間相對較短（數小時至數週）。
• 遺傳基礎：主要涉及基因表現的調控（表觀遺傳學或基因產物量的改變），而非基因本身的改變。
• 可遺傳性：通常是不可遺傳的，因為它主要是個體層級的生理反應，不涉及生殖細胞的基因改變。
• 例子：
  • 長期處於高海拔地區的人，身體會產生更多紅血球以增加氧氣攜帶能力。

這句話的核心觀念是，演化（Evolution）是發生在生物群體（Population）的基因頻率隨時間改變的現象，而不是單一個體生理或行為上的改變。

演化的定義：
演化（Evolution）最根本的定義是「世代間群體遺傳組成的改變」（change in the genetic makeup of populations over generations）。這意味著，演化關注的是一個群體中，不同基因（或等位基因）的相對頻率如何隨著時間推移而變化。

為什麼演化發生在群體層級，而非個體層級？：

1. 遺傳變異是群體特徵：

   • 個體擁有特定的基因型，決定其表現型。個體在生命週期中，其基因型通常是固定的（除非發生體細胞突變，但這通常不影響生殖細胞，也無法傳遞給後代）。
   • 群體則包含許多個體，每個個體攜帶不同的基因組合。群體的「基因庫」（gene pool）是所有成員基因的總和。演化的發生，就是這個基因庫中等位基因頻率的變化。
   • 例如，如果一個群體中，對某種疾病有抵抗力的基因頻率在下一代顯著升高，這就是演化。而單一個體即使在生命中獲得某種抵抗力（例如感染後產生抗體），這本身並不構成演化，因為這種後天獲得的能力通常無法遺傳。

2. 自然選擇作用於表現型，但影響的是基因頻率：

   • 自然選擇的作用對象是個體的表現型。表現型有利於生存和繁殖的個體，更有可能將其基因傳遞下去。
   • 然而，自然選擇的「結果」是改變了群體基因庫中的基因頻率。例如，在某個環境下，體色較深的個體更容易被捕食者發現而死亡，那麼體色較淺的基因在該群體中的頻率就會相對升高。

演化趨同（Convergent Evolution）的定義：
演化趨同是指兩種或多種沒有共同近期祖先的生物，由於生活在相似的環境或面臨相似的選擇壓力，而獨立演化出相似的結構、功能或形態的現象。換句話說，不同的演化路徑導向了相似的結果。

這種現象是因為自然選擇傾向於選擇那些能有效解決特定環境問題（如飛行、游泳、潛水、捕食等）的適應性特徵，即使這些生物的祖先並沒有這些特徵。

演化趨同的例子：

1. 飛行能力：
   • 鳥類、蝙蝠和昆蟲：這三類生物都演化出了飛行能力，但牠們的飛行結構和演化起源完全不同。
     • 鳥類的翅膀是前肢演化而來，骨骼結構特化，覆蓋羽毛。
     • 蝙蝠的翅膀也是前肢演化，但其翼膜是由伸長的指骨、身體側面和後肢之間的皮膚構成。
     • 昆蟲的翅膀則是由外骨骼的衍生物形成，與脊椎動物的前肢無關。
   • 儘管結構不同，但牠們都演化出了適應飛行的高效能結構，以利於移動、尋找食物、逃避天敵或尋找配偶。

全球暖化（Global Warming）的定義：
全球暖化是指地球大氣和海洋的平均溫度在過去一個多世紀以來，持續呈現上升趨勢的現象。這種升溫主要是由於人類活動，特別是燃燒化石燃料（如煤、石油、天然氣）釋放出大量的溫室氣體（如二氧化碳 CO2、甲烷 CH4、氧化亞氮 N2O 等）所導致。這些溫室氣體在大氣中形成一層「毯子」，阻止地球表面的熱量輻射回太空，從而導致地球系統累積熱量，溫度升高。

全球暖化對海洋物種的影響：
全球暖化對海洋生態系統和其中的物種造成了廣泛且嚴重的影響，主要體現在以下幾個方面：

1. 海洋溫度升高（Ocean Warming）：

   • 生理壓力與代謝改變：許多海洋生物對溫度變化非常敏感。溫度升高會增加牠們的代謝率，消耗更多能量，但也可能超過牠們的生理耐受極限，導致壓力、生長受阻、繁殖能力下降，甚至死亡。
   • 物種分布改變：隨著海水溫度升高，許多物種會向較冷的極地水域或較深的海域遷移，以尋找適宜的生存溫度。這會改變原有的物種地理分布，可能導致本地物種的消失和外來物種的入侵。
   • 珊瑚白化（Coral Bleaching）：這是最為人知的影響之一。珊瑚蟲與共生藻（zooxanthellae）之間的關係對溫度非常敏感。當海水溫度升高時，珊瑚會排出共生藻，導致其失去色彩而變白，最終可能死亡。珊瑚礁是許多海洋生物的棲息地和育幼場，珊瑚白化嚴重威脅整個珊瑚礁生態系統的健康。

2. 海洋酸化（Ocean Acidification）：

   • 雖然此題主要問全球暖化，但兩者常伴隨發生。海洋吸收了大量大氣中的 CO2，這會與海水反應生成碳酸，降低海水的 pH 值，使其變得更酸。

海洋酸化（Marine Acidification）的定義：
海洋酸化是指海水 pH 值下降（酸度增加）的過程。這個現象主要由大氣中二氧化碳（CO2）濃度的升高所驅動。當大氣中的 CO2 增加時，海洋會吸收一部分 CO2。CO2 溶解在水中後，會與水分子反應形成碳酸（H2CO3），碳酸進一步解離成氫離子（H+）和碳酸氫根離子（HCO3-）。氫離子的增加會降低 pH 值。

化學反應式如下：

1. $CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq)$
2. $CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$ (碳酸)
3. $H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$ (碳酸氫根離子)
4. $HCO_3^- \rightleftharpoons H^+ + CO_3^{2-}$ (碳酸根離子)

在碳酸解離過程中，釋放出的 $H^+$ 會與海水中的碳酸根離子（$CO_3^{2-}$）結合，形成更多的碳酸氫根離子。這導致了碳酸根離子濃度的下降，而碳酸根離子是許多海洋生物（如珊瑚、貝類）構建碳酸鈣骨骼和外殼的重要原料。

海洋酸化對海洋物種的影響：
海洋酸化對海洋生態系統和物種產生多方面的負面影響，尤其對依賴碳酸鈣構建結構的生物影響最為顯著。

1. 對鈣化生物的影響：
   • 溶解碳酸鈣結構：當海水 pH 值下降，碳酸根離子濃度降低時，鈣化生物（如珊瑚、貝類、海膽、海星、有孔蟲、翼足類等）構建和維持其碳酸鈣（$CaCO_3$）骨骼或外殼變得更加困難，甚至現有的結構可能被溶解。

海洋魚類進入淡水，以及淡水魚類進入海水，都面臨嚴峻的滲透壓調節（Osmoregulation）挑戰。牠們需要透過生理機制來維持體內離子和水分的平衡，以維持穩定的內部環境（Homeostasis）。

海洋魚類進入淡水：
海洋魚類（海水魚）的體液鹽度通常低於周圍海水，牠們是「低滲透壓」的個體（hypotonic relative to seawater）。牠們的生理機制傾向於「失去水分，獲得鹽分」。當一條海水魚進入淡水環境時，情況會完全顛倒：

• 滲透壓挑戰：淡水的鹽度遠低於海水魚的體液鹽度。這意味著，淡水會不斷地透過魚鰓和皮膚滲透進入魚體內，而魚體內的鹽分則會流失到淡水中。
• 維持水分平衡的機制：
  1. 減少飲水：海水魚通常會主動飲用海水來補充鹽分，但進入淡水後，牠們會停止飲水，以減少水分進入。
  2. 減少鹽分流失：魚鰓和皮膚的細胞會進行調整，減少離子（如 Na+ 和 Cl-）的主動外排。魚鰓的離子細胞（ionocytes）會改變其離子運輸方向，從排出離子轉變為吸收離子。
  3. 排出多餘水分：腎臟是關鍵的調節器官。海水魚的腎臟通常會排出少量濃縮的尿液，以盡量保留水分。當進入淡水後，牠們會改變腎臟功能，產生大量稀釋的尿液，以排出體內不斷滲入的多餘水分，同時盡量保留體內的鹽分。

淡水魚類進入海水：
淡水魚類（淡水魚）的體液鹽度通常高於周圍淡水，牠們是「高滲透壓」的個體（hypertonic relative to freshwater）。牠們的生理機制傾向於「獲得水分，排出鹽分」。

這個情境描述了一個生態系統中的食物鏈和物種間的相互作用。海獺（sea otter）在維持海帶森林（kelp forest）生態系統的穩定性中扮演著關鍵角色。

核心概念：
在這個例子中，海獺透過捕食海膽（sea urchin），控制了海膽的數量。如果沒有海獺，海膽的數量就會不受限制地增加，牠們會過度啃食海帶（kelp），導致海帶森林的毀滅。海帶森林是許多其他海洋生物的棲息地和食物來源，因此海帶森林的毀滅會對整個生態系統產生連鎖反應。

海獺的角色：
海獺在這個生態系統中所扮演的角色，是「關鍵捕食者」（Keystone Predator）。

關鍵捕食者（Keystone Predator）的定義：
關鍵捕食者是指一個物種，牠雖然在生物量上可能不是群體中最豐富的，但牠對維持其生態系統的結構和物種多樣性卻有著不成比例的巨大影響。牠們透過捕食、競爭或影響其他物種的行為，來控制牠們所處的生態位。

為什麼海獺是關鍵捕食者？：

• 控制優勢種：海膽在沒有捕食者時，可能成為一種「優勢種」（dominant species），牠們的大量繁殖和攝食會對生態系統造成毀滅性影響。海獺透過捕食海膽，有效控制了牠們的數量。
• 維持物種多樣性：如果海膽數量過多，牠們會吃光海帶，導致海帶森林消失。

有性生殖（Sexual reproduction）透過結合來自兩個親代的遺傳物質，並透過一系列機制產生新的基因組合，從而顯著增加後代的遺傳變異性（Genetic variability）。以下是透過有性生殖增加遺傳變異性的三個主要機制：

1. 減數分裂中的基因重組（Crossing Over during Meiosis）：

   • 發生階段：在減數分裂（Meiosis）的第一階段，稱為聯會期（pachytene stage），同源染色體（homologous chromosomes）會配對形成四分體（tetrad）。此時，來自父本和母本的同源染色體之間會發生「交叉互換」（crossing over），即非姐妹染色體（non-sister chromatids）之間交換片段。
   • 影響：這個過程將原本位於同一條染色體上的等位基因（alleles）重新組合。例如，如果一條染色體上有 A 和 B 基因，另一條同源染色體上有 a 和 b 基因，經過交叉互換後，可能會產生帶有 Ab 或 aB 等新組合的染色體。這在每個四分體中都可能發生，產生大量的遺傳組合。
   • 結果：產生了在親本染色體上原本不存在的新的等位基因組合。

2. 減數分裂中的染色體隨機分配（Independent Assortment of Chromosomes during Meiosis）：

   • 發生階段：在減數分裂的第一中期（metaphase I），同源染色體對會排列在細胞赤道板上。每個同源染色體對的排列方式是隨機的，即父源染色體和母源染色體可以朝向細胞的任一極。