113 年 國立中山大學生物科學系碩士班《普通生物學》

本題主要考驗學生對於演化學中「方向性選擇」(Directional selection) 的理解，以及如何應用此概念解釋自然界中的族群表型變化。

核心觀念：
方向性選擇是一種天擇的模式，其中單一方向的選擇壓力會導致族群中某一極端表現型的頻率增加，而另一極端表現型的頻率則降低。這會使得族群的平均表現型朝向特定方向移動。

詳解：
方向性選擇 (Directional selection) 是指在某一個族群中，當環境條件偏好某一極端表現型時，天擇會傾向於淘汰較不利的表現型，而有利於較優勢的表現型。這種選擇壓力會持續地將族群的平均表現型往單一方向推移，導致該表現型的基因頻率在族群中逐漸增加，進而改變族群的表型分佈。

自然界實例：

• 實例： 英國樺尺蛾 ( Biston betularia ) 的工業黑化現象 (Industrial melanism)。
• 詳細說明：

本題旨在探討演化學中「親源關係物種概念」(Phylogenetic species concept, PSC) 的定義，並了解實際應用此概念時所使用的方法學。

核心觀念：
親源關係物種概念 (PSC) 是物種概念的一種，強調以最小可區分的、獨一無二的親源關係單元 (monophyletic group) 作為物種的定義。

詳解：
親源關係物種概念 (Phylogenetic species concept, PSC) 將物種定義為最小的、可鑑定的、獨特的親源關係單元。換句話說，一個物種就是一個無法再進一步劃分的、由共同祖先演化而來的群體，且這個群體在親源關係上是獨立的。PSC 強調的是物種的演化歷史和親緣關係，而非生殖隔離或形態差異。

PSC 下常使用的方法學：

1. 分子系統學 (Molecular Phylogenetics)：
   • 說明： 這是 PSC 最常用且最核心的方法學。透過比較不同生物體的 DNA、RNA 或蛋白質序列，來建構親源關係樹 (phylogenetic tree)。
   • 應用： 藉由分析基因序列的差異，研究人員可以推斷出不同群體之間的演化分支點 (divergence points)。如果一個群體在親源關係樹上形成一個獨立的、最小的單系群 (monophyletic group)，且這個群體與其他群體有明確的演化分歧，那麼它就可以被視為一個獨立的物種。

本題旨在測試學生對「適應性演化」(Adaptive radiation) 這一重要演化現象的理解，包含其定義、機制以及在自然界中的實際應用。

核心觀念：
適應性演化是指一個單一祖先物種，在短時間內演化出多樣化的後代，這些後代適應了不同的生態位，並形成了不同的形態和功能。

詳解：
適應性演化 (Adaptive radiation) 是指一個單一的祖先物種，由於進入一個新的、充滿未被佔用的生態位 (ecological niches) 的環境，或者由於環境發生重大變化（例如滅絕事件後），而快速地演化出多種不同的後代。這些後代會針對不同的生態位發展出獨特的形態、生理和行為特徵，最終形成一個多樣化的物種群。關鍵在於，這個過程是從一個共同祖先出發，向多個方向演化，以利用不同的資源或適應不同的生活方式。

自然界實例：

• 實例： 加拉巴哥群島的達爾文雀 (Darwin's finches)。
• 詳細說明：
  約在數百萬年前，一支來自南美大陸的雀鳥祖先到達了加拉巴哥群島。這個群島提供了豐富但多樣化的資源，並且當時沒有其他鳥類競爭。這支祖先雀鳥面臨著各種不同的食物來源，如種子（大小不同）、昆蟲、果實、花蜜等，以及不同的棲息環境（地面、樹上等）。

本題旨在測試學生對「生態位」(Ecological niche) 概念的理解，以及如何應用此概念解釋生物在生態系統中的角色與關係。

核心觀念：
生態位不僅僅是生物棲息的地點，更是該生物在生態系統中所扮演的所有角色，包括牠的資源利用、繁殖策略、與其他生物的交互作用以及對環境的影響。

詳解：
生態位 (Ecological niche) 是指一個物種在生態系統中所佔據的「職業」或「角色」。它包含了該物種對環境的需求（如棲息地、溫度、濕度、食物來源等），以及牠如何利用這些資源，如何與其他生物（包括同種和異種生物）互動，以及牠對環境產生的影響。更精確地說，生態位可以被視為一個多維度的空間，其中每個維度代表一個影響該物種生存和繁殖的環境因子（例如食物類型、活動時間、繁殖季節、對捕食者的反應等）。

一個物種的「實際生態位」(realized niche) 是牠在存在競爭和捕食等交互作用下實際佔據的位置；而「潛在生態位」(fundamental niche) 則是牠在沒有這些限制下，可以生存和繁殖的所有可能環境條件的總和。

自然界例子：

• 例子： 草原上的獅子 (Lion)。
• 詳細說明：
  獅子的生態位可以從以下幾個方面來描述：
  1. 棲息地 (Habitat)： 主要生活在非洲的草原、稀樹草原和灌木叢。
  2. 食物資源 (Food Resources)： 是頂級掠食者，主要捕食大型草食動物，如斑馬、角馬、羚羊、水牛等。牠們會依賴這些獵物的數量和可及性。

本題主要考驗學生對「趨同演化」(Convergent evolution) 這一演化現象的理解，以及如何運用實例來解釋。

核心觀念：
趨同演化是指不同演化譜系中的生物，由於面臨相似的環境壓力或生態位，而獨立演化出相似的形態、結構或功能的現象。

詳解：
趨同演化 (Convergent evolution) 是指兩種或多種原本沒有共同祖先（或有共同祖先但該性狀在很早期的祖先中已消失）的生物，由於受到相似的選擇壓力，獨立地演化出相似的特徵。這些相似的特徵並非源自共同的祖先，而是各自獨立發展出來，以適應相似的環境或生活方式。這種現象說明了演化在面對相似挑戰時，可能導向相似的解決方案。

實例說明：

• 實例： 魚類、海豚（哺乳類）和企鵝（鳥類）的流線型體型。
• 詳細說明：
  魚類（如鯊魚）、哺乳類（如海豚）和鳥類（如企鵝）是來自非常不同的演化譜系：
  • 魚類是脊椎動物的早期分支，演化出能在水中游動的身體。

本題旨在測試學生對「生存曲線」(Survivorship curves) 的理解，包括其定義、分類，以及如何在自然界中找到對應的實例。

核心觀念：
生存曲線是描繪一個世代的個體，在其生命週期中，隨時間推移而存活下來的比例或數量的圖形。

詳解：
生存曲線 (Survivorship curves) 是生態學中用來描述一個世代的生物體，在其生命週期過程中，存活下來的個體數隨年齡增長而下降的速率。通常以年齡（或生命階段）為橫軸，以存活個體數的對數（或存活比例）為縱軸繪製。生存曲線可以幫助我們了解不同物種的生命史策略以及面臨的死亡風險。

生存曲線通常被分為三大類形式：

1. 第一型生存曲線 (Type I Survivorship Curve)：

   • 特徵： 在生命週期的早期和中期，個體存活率非常高，死亡率很低。大多數個體可以活到接近其最大壽命。死亡主要集中在生命週期的後期。
   • 圖形： 圖形呈現一個較為平緩的下降，在圖的右側（老年）才急劇下降。
   • 實例：
     • 人類 (Humans)： 在已開發國家，由於良好的醫療保健、營養和生活條件，大多數人在一生中存活率很高，直到老年才開始大量死亡。
     • 大型哺乳動物 (Large mammals)： 如大象、牛、馬等，牠們通常會投入大量資源照顧後代，並有較長的壽命。

2. 第二型生存曲線 (Type II Survivorship Curve)：

   • 特徵： 在整個生命週期中，個體的死亡率大致恆定，無論年齡大小，死亡風險都相對均勻。
   • 圖形： 圖形呈現一條近似直線的下降。
   • 實例：

本題為申論題，要求學生整合陸域生物地理分布的氣候因子、氣候變遷的影響，並結合特定類群（以台灣為例）進行深入論述，展現其學術分析與應用能力。

核心觀念：
陸域生物的地理分布受氣候因子（溫度、降水、光照、風等）的嚴格限制。氣候變遷會改變這些因子，進而影響生物的生理、行為、族群動態和分布範圍。

詳解：

第一部分：陸域生物地理分布範圍主要受哪些氣候因子決定？

陸域生物的地理分布範圍主要受以下氣候因子決定：

1. 溫度 (Temperature)：

   • 影響： 溫度直接影響生物的生理代謝速率、酶活性、生長發育、繁殖時機，以及許多物種的地理分布上限和下限。例如，許多物種有特定的溫度適應範圍，超出此範圍則難以生存。
   • 例子： 高山地區的低溫限制了許多溫帶或熱帶物種的分布，而極地地區的嚴寒則限制了溫帶物種的分布。

2. 降水 (Precipitation)：

   • 影響： 降水量（包括雨、雪、霧等）決定了水分的可用性，這對植物的生長至關重要，進而影響整個生態系統的生產力。對動物而言，降水影響飲水來源、棲息地的濕度、食物（植物）的供應，以及繁殖的成功率。
   • 例子： 乾旱地區只能支持耐旱的植物和動物，而熱帶雨林則能支持高度多樣化的生物群落。

3. 光照 (Sunlight)：

   • 影響： 光照是植物進行光合作用的能量來源，因此決定了植物的生產力，進而影響以植物為基礎的食物鏈。對動物而言，光照影響日夜活動模式 (circadian rhythms)、繁殖訊號、遷徙和尋找食物。
   • 例子： 緯度不同導致日照長度差異，影響季節性繁殖和遷徙。

4. 風 (Wind)：

   • 影響： 風力影響蒸散作用、乾燥程度、種子和花粉的傳播，以及對小型動物（如昆蟲、鳥類）的移動能力。強風也可能造成物理傷害。
   • 例子： 高山地區或開闊草原的強風會限制某些植物的生長。

5. 季節性變化 (Seasonal Variation)：

   • 影響： 溫度和降水的年週期性變化，會影響生物的繁殖、遷徙、休眠或落葉等生命週期事件。
   • 例子： 溫帶地區明顯的四季變化，導致許多生物需要適應寒冬或乾旱。

第二部分：選擇一種台灣的陸域生物類群，論述氣候變遷的可能影響。

在此，我們選擇兩棲類 (Amphibians) 作為討論對象，並以台灣為例。

台灣兩棲類對氣候變遷的可能影響：

兩棲類對環境變化極為敏感，牠們的皮膚濕潤且具有滲透性，對溫度、濕度、水分品質和化學物質變化非常敏感，因此常被視為環境變遷的「指標物種」。

1. 生理影響 (Physiological Impacts)：

   • 溫度升高：
     • 代謝率與生長： 兩棲類是變溫動物 (ectotherms)，體溫隨環境溫度變化。溫度升高會加速其代謝率和生長速率，但若超過適應範圍，可能導致過熱、脫水、能量消耗過快，影響生長與存活。
     • 繁殖時機與成功率： 許多兩棲類的繁殖與特定溫度和降水條件密切相關。溫度升高可能提前或延後繁殖季，影響卵的孵化和蝌蚪的發育。例如，某些蛙類需要特定的水溫來觸發鳴叫和求偶，溫度異常可能導致繁殖失敗。
     • 性別決定： 對某些兩棲類而言，孵化時的溫度會影響後代的性別比例。氣溫升高可能導致特定性別的比例失衡。
   • 降水變化 (乾旱或豪雨)：
     • 水分散失與脫水： 乾旱導致棲息地（如水池、溪流）乾涸，兩棲類無法維持皮膚濕潤，容易脫水死亡。
     • 繁殖場所喪失： 許多兩棲類依賴穩定的水源繁殖，乾旱會導致繁殖場所消失，卵和蝌蚪無法存活。
     • 豪雨與淹水： 過度的降雨可能導致棲息地被淹沒，沖走卵或幼體，或改變水體棲息地的水質（如pH值、溶氧量）。

2. 行為影響 (Behavioral Impacts)：

   • 活動模式改變： 溫度升高或乾旱可能迫使兩棲類減少日間活動，增加夜間活動，或尋找更濕潤、涼爽的庇護所（如洞穴、樹洞