112 年 國立臺灣大學環境工程研究所規劃與管理組《環境生態學》

此題考驗考生對生態學中「競爭排除原理」的理解及其在真實世界中的應用。

競爭排除原理（Competitive Exclusion Principle），又稱高斯原理（Gause's Principle），是由俄羅斯生態學家格奧爾基·高斯（G.F. Gause）在 1930 年代提出。該原理指出，在一個穩定的環境中，如果兩種生物以完全相同的生態位（niche）生存，那麼其中一種生物最終會因為競爭不過另一種而滅絕。換句話說，兩種或更多種生物不可能在同一時間、同一地點，以完全相同的資源需求共存，除非它們的生態位有所區隔。

核心觀念： 生態位分化是物種共存的關鍵。如果生態位重疊程度過高，則會導致競爭，進而可能使其中一個物種被排除。

真實範例：
一個經典的例子是關於草履蟲（Paramecium）的實驗。高斯在實驗室中飼養了兩種單細胞原生動物：Paramecium aurelia 和 Paramecium caudatum。當這兩種草履蟲單獨飼養時，牠們的族群數量都能穩定成長。然而，當牠們被同時飼養在相同的培養基中時，Paramecium aurelia 由於生長速率較快，繁殖能力較強，能更有效地利用培養基中的營養，因此在競爭中佔據優勢。經過一段時間後，Paramecium caudatum 的族群數量逐漸減少，最終在培養皿中滅絕。這個實驗證明了當兩種生物的生態位高度重疊時，其中較弱的競爭者會被排除。

此題主要探討城市化對動物生理和演化的影響，並要求考生運用多個生態學和演化學術語進行闡述。

核心觀念： 區分適應（adaptation）與馴化（acclimation），並理解環境壓力（如城市熱島效應）如何透過演化機制影響族群。

題目解析：

Part 1: Is this adaptation or acclimation? Please state your reasons.

• 定義區分：

  • 馴化 (Acclimation)： 是指生物體在短時間內，對單一環境因子（如溫度、濕度）的生理或行為上的可逆性反應，以維持恆態（homeostasis）。這種改變通常是個體層級的，且不涉及基因的改變。
  • 適應 (Adaptation)： 是指生物族群經過長時間演化，透過基因頻率的改變，使其更能適應其生存環境的特徵。這是演化過程的結果，是族群層級的，且通常是不可逆的。

• 判斷與理由：
  城市螞蟻比鄉村螞蟻更能忍受高溫，這種差異更有可能是適應 (adaptation)。
  理由如下：

  1. 族群層級的差異： 題目描述的是「城市螞蟻」相較於「鄉村螞蟻」的普遍差異，這暗示了這種耐熱性是存在於城市螞蟻這個族群中的一個特徵，而非單一個體經歷的短期生理調整。
  2. 遺傳基礎的可能性： 如果這種耐熱性是透過演化產生，那麼它應該有其遺傳基礎（genotype）。城市環境（如高溫、污染物）對螞蟻族群施加了長期的選擇壓力，使得具有較高耐熱基因型的個體在城市環境中生存和繁殖的機率更高。
  3. 可逆性： 馴化通常是可逆的。如果將城市螞蟻移到鄉村的低溫環境，牠們的耐熱性可能會下降；反之亦然。但題目描述的「更能抵抗」聽起來更像是一種長期的、穩定的優勢，而非短期生理調整。

  然而，必須謹慎說明： 嚴格來說，單憑題目描述，我們無法完全排除個體層級的馴化。例如，城市螞蟻可能天生就具有較強的生理調節能力，能夠在較高的溫度下維持正常生理機能（這本身就是一種潛在的適應）。如果這種生理調節能力是可以快速學習或調整的，那也包含馴化成分。但從演化角度看，如果這種能力在城市族群中普遍存在且穩定，那麼它更傾向於演化適應的結果。

Part 2: Can city ants cope with climate change better than rural ants? Please include these terms in your explanation: ectotherm, endotherm, ecotype, genotype, natural selection, and evolution.

• 氣候變遷的影響： 氣候變遷意味著全球平均溫度升高，極端天氣事件（如熱浪）頻率增加。對於許多生物而言，這意味著生存環境的溫度將進一步升高。