生物圈2號，人類文明崩壞的預言？（Biosphere 2）-下
台北縣立中平國中自然與生活科技領域李佟位老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

如此劇烈的變化使得多數脊椎動物開始死亡，傳粉昆蟲更全數消失，反而是蟑螂等害蟲大量繁殖。氧氣在實驗開始時的初始濃度則是20.9％，在十六個月內逐步降低至14.5％，相當於海拔4000公尺，實驗者開始出現呼吸困難、舉步維艱之情形；出於無奈，1993年1月醫療團隊決定自外界注入氧氣，實驗宣告失敗。

對於氧氣濃度下降的原因，多數推測都指向土壤中的微生物。由於玻璃帷幕阻擋了部分光線的入射，使得微生物的呼吸作用有機會超過植物的光合作用，O2便逐漸減少；然而弔詭的是，二氧化碳卻沒有因此呈現增加的趨勢。這個謎團直到後來哥倫比亞大學的科學家使用放射性同位素進行調查，方才確認CO2會與建物中的水泥化合形成碳酸鈣，從而影響正常的碳循環，也導致了「氧氣莫名消失」的錯覺。

第一次實驗失敗之後，研究團隊在1994年重啟實驗，但由於管理階層的內部紛爭，實驗宣告草草結束。隔年生物圈2號的產權轉移至哥倫比亞大學，成為該校的研究基地，並整合為「第二生物圈中心」(Biosphere 2 Center)，對外開放參觀。之後幾度轉手，目前由亞利桑納大學管理營運，做為研究氣候變遷之用。 Continue reading →

生物圈2號，人類文明崩壞的預言？（Biosphere 2）-上
台北縣立中平國中自然與生活科技領域李佟位老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

科技的進步帶來人口擴張和後續的汙染問題；時至今日，你毋需是學有專精的科學家，也能隱約感受到自然界正保持著危險的平衡，而人類文明已來到關鍵的路口。人們的心中不免浮現一個共同的疑問：「在萬不得以的情況下，拓殖外太空是否可行？」為了回答這個問題，美國富豪愛德華‧巴斯（Edward Bass）在1986年時斥資兩億美元，於亞利桑那州沙漠興建了「生物圈2號」（Biosphere 2）。這棟佔地1.27公頃，由鋼骨和玻璃帷幕所建成之密閉建築物，其目的在了解生物圈的運作機制，並研究人類是否已具備模擬並取代自然的技術能力，乃至於最終能否透過科技的幫助，移居外星球。

在與外界完全隔絕的生物圈2號中，包括了海洋（含珊瑚礁）、熱帶雨林、稀樹草原（savannah）、沼澤（marsh）、沙漠等五種生物群系（biomes)；以及生產糧食的集約農地(intensive agricultural area)、供人員生活其中的微城市(micro city)和實驗監控用的技術圈(technosphere)等三種人造區域，其運轉的能源則來自太陽能以及外界供輸的電力。1991年，八位志願者進入生物圈2號中並完全與外界隔離，預計進行為期兩年，完全自給自足的生活。 Continue reading →

高山凍原與極地凍原 (Alpine Tundra and Arctic Tundra) -下
天主教聖心女子高級中學生物科許家榕老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

◎極地凍原

分佈：在北半球的分佈如下圖橘色部分所示。

特徵：

1.氣溫：全年嚴寒，至少8個月份平均溫在0 ℃以下；最熱月平均溫在10 ℃以下，一般在夏季白天氣溫上升至約12 ℃，有時日最高溫可至15 ℃至18 ℃，但最低溫也可以在0 ℃以下。

2.降水：和沙漠一樣降水量少，年平均少於250 mm，最大降水常集中在夏天，且常以暴風雪形式降水，即使最熱月仍存在「霜凍現象」，即溫度低於地面和物體表面，當有水汽凝結成白色結晶形成白霜，對植物可能造成凍害。 Continue reading →

高山凍原與極地凍原 (Alpine Tundra and Arctic Tundra) -上
天主教聖心女子高級中學生物科許家榕老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

組成凍原的地質為凍土組成，包含冰、各種岩石和土壤。凍土層處於水的結冰點以下超過兩年的狀況，稱為永凍土（Permafrost）。由於低溫和較短的生長季限制阻礙了樹木生長。一般凍原都分佈在高緯極地或者高海拔地區。依地理位置可分為三種類型：北極凍原、南極凍原和高山凍原。植被的組成有矮灌木、莎草和禾草、苔蘚，地衣和零星樹木。在凍原和森林的生態群落交會區(ecotone)之間的界線，即為「森林線」(forest line)。

凍原的氣候特徵：太陽輻射能少，氣溫低、水氣不易凝結、雨量少。生物種類以地衣、蘚苔、草本植物為主。動物有雪兔、北極熊、狼、旅鼠，夏天有昆蟲、候鳥。凍原生態系通常不穩定。

◎高山凍原

分佈：高山凍原一般位於高海拔約3400~3500公尺以上，也是一般森林線以上。不是受限於雨量或溫度，而是海拔高度。又稱為「高山植物群帶」或「亞寒帶」。氣候近似極地凍原。在台灣分佈如：雪山、玉山山頂。

1.氣溫：年均溫5 ℃以下
2.降水：年雨量約2,800 mm
3.濕度：日照強、風大，水分蒸發快。
4.地質：生育地多為裸岩或岩床，碎石坡、表土少、保水力差。地表常積雪，尤其冬季。高山凍原因為通常不具有永凍土，排水比極地凍原好。
5.生物組成：沒有高大的樹木，僅在森林線附近的過渡地帶會有一些生長發育不良的樹木，稱為Krummholz。 Continue reading →

蓋亞假說（Gaia Hypothesis）
新竹市光復中學生物科教師呂佳毓老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

蓋亞假說（Gaia hypothesis），是詹姆士˙洛夫洛克（James Lovelock）在1969年於美國新澤西普林斯頓舉行的一個有關地球生命起源的科學會議上首次提出。他認為地球就是一個「活物」，而這個「活物」他取名為蓋亞(Gaia)，即希臘的大地女神（大地之母之意）。

在蓋亞假說中，地球這個大地女神的範圍包含了地球的生物圈、大氣層、海洋與土壤等，地球上的生物與環境。就像一個我們已知的生命一樣，可形成回饋或調控的體系，這個體系中的生物在改變地球環境，同時被改變的地球環境也推動著生物的演化，生物與地球環境相互影響，遂結合成一個能自我調控的大地之母，而這個大地之母一直為地球上的其他生命，尋求最適宜的物理與化學環境，並維持內環境穩定（homoeostasis）。

洛夫洛克提出許多大地之母能自我調控和監控的例子，例如透過微生物每年製造出十億噸的甲烷，甲烷可調控大氣中氧氣濃度的穩定，而地球上的植物則在積極穩定大氣中二氧化碳的濃度，可見大地之母自我調控的能力還需要廣大的生物來參與，如果地球失去生物多樣性，大地之母的調控能力將面臨考驗。 Continue reading →

深海熱泉生態系(Hydrothermal Vent Ecosystems)-下
台北縣立碧華國民中學自然領域張世玪老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

三、深海中的熱泉生態系
西元1979年，科學家搭乘世界上第一個深海潛水器阿爾文號（Alvin），在厄瓜多（Ecuador）海岸邊，海深2500公尺的加拉巴哥洋脊（Galapagos Rift）中，發現了多處海底熱泉（hot springs），此為人類第一次觀測到位於深海處的高熱溫泉之噴發景觀。這些像煙囪的熱泉，不斷地噴出高溫且富含礦物質的液體，依據其所含的礦物質成分，這些液體呈現出各種不同的顏色，有些是黑色，有些是灰色或白色，有些則為透明無色。圍繞在這些熱泉周遭的海水溫度，有時可高達380℃，因而形成了高溫而獨特的生態系。

令人驚奇的是，在這些熱泉的週圍，科學家發現了豐富且奇特的海底生物～包括大型的紅蛤、海蟹、貽貝、牡蠣、小蝦、章魚、血紅色的管蟲，以及一些水螅生物，甚至在熱泉區以外的深海海底，還有海星、海葵及蠕虫等生物出現。

以黑煙囪熱泉為例，其噴出的液體中富含硫化氫，與大型生物共生的硫化氫氧化細菌（hydrogen sulfide-oxidizing bacteria），則為此類生態系的初級生產者。這些細菌利用由熱泉口所噴發出來的硫化氫作為能量來源，熱泉噴出液中所含大部分的硫是由地球內部所噴出，少於15﹪的硫則是由海水中的硫（含於H₂SO₄中）經由化學反應所產生。因此，這些熱泉生態系中的能量來源並非來自日光，而是來自化學合成反應（chemosynthesis），硫化氫氧化細菌則屬於「化學自營細菌」（chemoautotrophs）。 Continue reading →

深海熱泉生態系(Hydrothermal Vent Ecosystems)-上
台北縣立碧華國民中學自然領域張世玪老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

地球表面大約有70％的面積為海水所覆蓋，在廣大的海洋中，居住著形形色色的各種生物。海洋生態系大都以日光做為主要的能量來源，由於日光至多只能穿透至海洋表面下約300公尺，加上冰冷的海水會往海洋下方沈降，因此，在海洋深處，環境極為寒冷嚴峻，居住在其間的生物種類也極為有限。

一、幾個生態系能量流動的概念
1.生態系的初級生產力（primary production）
在一段指定的時間裡，某生態系的初級生產者將日光能轉變為化學能的總量，稱為此生態系在這段時間中的初級生產力。

2.生態系的能量流動（energy flow）
在多數生態系中，初級生產者會利用日光合成有機物，各級消費者則經由食物鏈獲取其需要的有機物，進而將有機物分解以得到能量。

3.在能量流動的過程中，每經過一層食物鏈營養階層的傳遞，便有部份能量會以熱的形式散失，並非所有的能量都能傳遞給下一個營養階層。
4.各營養階層之間的能量轉換效率很低，通常不到20％。 Continue reading →

生物放大作用(Biomagnification)-下
新竹縣立照門國民中學自然與生活科技領域黃銘義老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

另一個例子來自於氧化三丁錫（TBT）此類毒物。TBT 是環保署公告的第一類的毒化物，指的是「化學物質在環境中不易分解，或因生物蓄積、生物濃縮、生物轉化等作用，致汙染環境或危害人體健康者」，已經限制規範其用途。

目前在國內主要用於塑膠的安定劑及抗汙、防腐的油漆，少數用於床墊、沙發、人造纖維的防塵劑。

環保署委託學者研究調查高雄港、台中港、基隆港、花蓮港、興達港、梧棲港、八斗子港等7處漁港的港口底泥、海水及魚貝類的TBT含量。發現7個港口的底泥及海水都檢出了TBT，且在高雄港、花蓮港、興達港、梧棲港、八斗子等5座港口捕撈到魚貝肉體組織及內臟，檢出了TBT，且港內魚貝類的TBT含量，又明顯高於港口外的魚貝，中型魚內臟部分的 TBT 含量也比魚肉部分高。 Continue reading →