109 年 國立中山大學生物科學系碩士班甲組《普通生物學》

此題主要在探討演化生物學中的性擇(Sexual Selection)與天擇(Natural Selection)之間的互動關係，以及它們各自如何影響物種的適存度(fitness)與族群的演化。

核心觀念：

• 天擇 (Natural Selection): 指的是環境壓力（如食物、獵食者、氣候等）導致某些具有有利特徵的個體更容易生存和繁殖，將其基因傳遞給下一代。天擇通常會促進個體與環境的適應。
• 性擇 (Sexual Selection): 是天擇的一種特殊形式，與獲得配偶的能力有關。它可能導致某些特徵（例如華麗的羽毛、巨大的鹿角、響亮的鳴叫聲）在某些性別（通常是雄性）中過度發展，即使這些特徵可能對生存不利，但卻能增加繁殖成功率。
• 衝突 (Conflict): 性擇和天擇有時會產生衝突，因為性擇偏好的特徵可能降低個體的生存機率（例如，雄鳥鮮豔的羽毛容易吸引掠食者），而天擇則會淘汰這些不利的特徵。

舉例說明衝突與效應：

例子：孔雀 (Peacock)

• 性擇的作用： 孔雀雄性的尾羽非常華麗、巨大且顯眼。這種尾羽的發展主要是由性擇驅動，雌性孔雀(Peahens)在選擇配偶時，傾向於選擇尾羽更大、顏色更鮮豔、眼斑更多的雄性。這能增加雄性獲得交配機會的機率，進而提高其繁殖成功率。
• 天擇的作用： 華麗的尾羽對雄孔雀的生存卻是個負擔。
  • 適存度 (Fitness) 降低： 巨大的尾羽會讓雄孔雀在逃避掠食者時行動不便、速度較慢，也更容易被發現，因此降低了牠們的生存機率。

此題探討形態學上的相似性與同源性之間的差異，以及為何僅憑肉眼觀察的形態結構不足以判斷結構的同源性，尤其是在後基因體時代，我們有更強大的工具來釐清演化關係。

核心觀念：

• 同源結構 (Homologous Structures): 指的是由共同祖先演化而來的結構，即使它們的功能可能不同，但其基本的骨骼結構、發育來源和基因組成通常是相似的。例如，人類的手、鳥類的翅膀、蝙蝠的翼、鯨魚的鰭，它們的基本骨骼組成（肱骨、橈骨、尺骨、腕骨、掌骨、指骨）是相似的，證明它們來自共同的哺乳動物祖先。
• 趨同演化 (Convergent Evolution): 指的是不同物種由於演化壓力相似，獨立演化出功能或外觀相似的結構，但這些結構的祖先來源不同。這種結構被稱為「異源結構」(Analogous Structures)。
• 形態結構的相似性 (Morphological Similarity): 指的是外觀或形狀上的相似。

為何形態結構相似性未必等於同源性？

這是因為「趨同演化」的現象。當不同物種生活在相似的環境或面臨相似的演化壓力時，它們可能會獨立演化出功能相似的結構，以適應這些環境或壓力。這些結構在外觀上可能非常相似，但它們的演化起源卻是獨立的，不來自共同祖先。

舉例說明：鳥類的翅膀 vs. 昆蟲的翅膀

• 相似之處： 鳥類的翅膀和昆蟲的翅膀，兩者最明顯的相似之處在於它們的功能——都是用於飛行。在外觀上，它們都是展開的結構，能夠產生升力。
• 為何不是同源結構？
  1. 結構組成不同：
     • 鳥類的翅膀： 是由前肢演化而來，其基本骨骼結構（肱骨、橈骨、尺骨、腕骨、掌骨、指骨）與其他陸生脊椎動物的前肢（如人類的手、貓的前腿）是同源的。

此題要求從生態學（資源）、族群遺傳學（遺傳）和社會行為學（社會性動物生態）三個面向，預測台灣獼猴在柴山（封閉、資源少）和滿州（開放、資源多）這兩個不同環境下，族群的未來發展差異。

核心觀念：

• 資源可利用性 (Resource Availability): 影響族群的承載量、生長速率、個體健康與繁殖。
• 族群遺傳 (Population Genetics): 探討族群內的基因變異、基因流動、遺傳漂變、基因選擇等，影響族群的適應能力和長期存續。
• 社會性動物生態 (Ecology of Social Animals): 探討社會結構、互動、繁殖策略、領域行為等，這些都與資源分佈和族群密度密切相關。

分析與預測：

1. 柴山族群 (封閉地區, 缺乏果園, 資源相對較少)

• 可利用資源：

  • 影響： 資源有限會限制族群的整體規模（承載量較低），個體間的競爭會較為激烈，可能導致較低的繁殖率、較高的幼體死亡率，以及較差的健康狀況。雖然獼猴可能因缺乏果園而較少接觸農作物，但仍會依賴當地的原生植物、昆蟲等。
  • 未來發展： 族群規模可能相對穩定或緩慢增長，但容易受到環境波動（如乾旱、病害）的影響而發生較大的波動。個體間的資源競爭可能加劇。

• 族群遺傳：

  • 影響： 由於是相對封閉的地區，與外界的基因流動(gene flow)可能較少。如果族群規模不大，遺傳漂變(genetic drift)的影響可能較為顯著，導致某些基因頻率隨機變動，可能喪失部分遺傳變異。若族群長期隔離，可能產生高度的近親繁殖(inbreeding)，降低族群的遺傳多樣性，進而影響其對環境變化的適應能力。
  • 未來發展： 遺傳多樣性可能偏低，對新疾病或環境變遷的適應能力可能較弱。

• 社會性動物生態：

  • 影響： 資源匱乏可能導致社會結構更加嚴謹，競爭更為激烈，例如階級制度可能更為分明，個體間的衝突（如爭奪食物、配偶）可能增加。為了有效分配資源，社會群體可能較小或有特定的覓食策略。
  • 未來發展： 社會互動可能更為複雜和競爭性，社會階級可能對資源分配有更大的影響。

2. 滿州族群 (開放區域, 具有大量農作物栽培, 資源相對豐富)

• 可利用資源：
  • 影響： 大量農作物提供了豐富且易於獲取的食物來源，這將顯著提高族群的承載量，支持較大的族群規模，並可能提高個體的健康和繁殖率。然而，這也可能導致與人類的衝突（猴害）更加嚴重，並可能使獼猴的行為模式發生改變（例如，過度依賴人類提供的食物）。

此題旨在考察學生對科學方法論的理解，特別是科學假說的形成、檢驗、競爭與演進。需要舉出一個具體的演化或生態現象，並提出兩個相互衝突的假說來解釋它，再分析其證據與弱點。

選擇的現象： 恐龍的滅絕 (Extinction of Dinosaurs)

恐龍在約 6600 萬年前的白堊紀末期突然滅絕，是地球歷史上最著名的滅絕事件之一。關於其原因，存在多種假說，其中最為對立且影響深遠的兩大假說為：

1. 小行星撞擊假說 (Impact Hypothesis)
2. 大規模火山爆發假說 (Volcanic Activity Hypothesis)

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假說一：小行星撞擊假說 (Impact Hypothesis)

• 核心論點： 一顆巨大的小行星（直徑約 10-15 公里）撞擊地球（主要在現今墨西哥的尤卡坦半島），引發了一系列災難性事件，導致恐龍及其牠物種大規模滅絕。
• 差異點： 強調單一、快速、全球性的毀滅事件。
• 支持證據：
  • 銥 (Iridium) 異常層： 在全球白堊紀末期地層中發現一層富含銥的黏土。銥在地球表面非常稀有，但在小行星和彗星中含量較高，這層銥被認為是撞擊事件將來自外太空的塵埃帶來的證據。
  • 希克蘇魯伯隕石坑 (Chicxulub Crater): 在尤卡坦半島發現一個直徑約 180 公里的巨大撞擊坑，其形成年代與恐龍滅絕的時間吻合。
  • 衝擊石英 (Shocked Quartz) 與玻璃隕石 (Tektites): 在撞擊地點附近及全球的白堊紀末期地層中發現了證明高能量撞擊的礦物（如衝擊石英）和熔融物（如玻璃隕石）。
  • 海嘯沉積物： 在墨西哥灣沿岸發現大規模海嘯留下的沉積物，與撞擊事件的規模相符。
• 弱點/挑戰：
  • 滅絕的「時間性」： 雖然撞擊是瞬間發生的，但滅絕的過程可能比單次撞擊能解釋的更為緩慢或分階段。
  • 非鳥恐龍的滅絕： 該假說能很好地解釋為什麼許多大型陸生動物（包括非鳥恐龍）滅絕，但對於海洋生物和某些小型動物的滅絕模式，需要更精確的解釋。
  • 部分物種倖存： 為什麼某些物種（如鳥類、某些哺乳動物、爬行動物）能倖存下來，需要進一步的解釋。

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假說二：大規模火山爆發假說 (Volcanic Activity Hypothesis)

• 核心論點： 在白堊紀末期，印度德干暗色岩(Deccan Traps)地區發生了持續數十萬年的超級火山爆發，釋放出大量的溫室氣體（如 CO2、SO2）和火山灰，導致全球氣候劇烈變動（包括溫室效應增強和酸雨），最終引發大規模滅絕。
• 差異點： 強調持續、長期的地質事件對環境的累積性破壞。
• 支持證據：