Chapter 3 Life and the Physical Environment

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2. 第3章 生命與其物理環境 • 3.1 生物和物理世界是相互依賴。 • 3.2 生命有獨特的特質，有別於物理体系。 • 3.3 生物可以增加其體內的能量位階。 • 3.4 生物可以調控其體內與體外的能量和物質的進出。 • 3.5 体型大小影響結構與功能。 • 3.6 生命体型受到適應的限制。

3. 第3章 生命與其物理環境 • 生命 vs. 非生命 • 生物 vs. 物理和化學 • 有機 vs. 無機 • 動物 vs. 非動物 • 雖然我們可以區分它們，但它們並不是各自獨自存在的。 • Life depends on the physical world. • To stay alive, organisms must continually exchange materials and energy with the physical environment.

4. 3.1 生物和物理世界是相互依賴。 • The ultimate source of energy for most life on earth is sunlight. • 綠色植物捕捉陽光能量，經由將CO2和H2O合成碳水化合物，將能量轉入化學能。(photosynthesis) • Life also depend on the physical environment for basic elements such as oxygen and nitrogen, water, and other essential materials.

5. 3.1 生物和物理世界是相互依賴。 • The form and function of plants and animals must obey the rules of the physical world. • They also affect the physical world, sometimes in a profound manner. • The composition of the atmosphere, the condition and quality of soil, the local climatic conditions are the result of an interplay among living and nonliving components of the environment.

6. 生物對地球大氣形成的影響 • The earth began with no atmosphere and no oceans. • Today, the earth’s atmosphere contains a stable concentration of about 20%oxygen. 不會太高，若高於25%，濕的木材也會燃火；不會太低，若是低於15%，則燃火就很困難。 • Perhaps the most important innovation of living things in the history of life on earth was the development of photosynthesis. • 最早的光合作用可能是作用在 H2S + CO2→ CH2O + S2

7. 從運用H2S 轉變到運用H2O • Because H2S was scarce, photochemical processes that employed the splitting of water (H2O) were favored. 因此逐漸演化為：H2O + CO2 → CH2O + O2 • 因為氧氣的出現，而顯著的影響大氣環境。 • 約有10億年，光合作用產生的氧氣都耗用在氧化反應上。首先是海洋中的鐵離子(Fe 2+ )，轉變成氧化鐵沉積海底。

8. 光合作用產生的氧氣 • 於15億年至20年前，光合作用產生的氧氣量超過氧化海中鐵礦的量，氧氣才開始在大氣中累積。(Figure 3-1) • 真核(eukaryotic )生物約在13億年前出現。當時大氣的氧氣量約只有現在的1%。 • 目前地球有58%的氧是形成氧化鐵(Fe2O3)，38%是與岩石(SO4 2- )結合成大陸紅床(red beds)，只有4%進入大氣。

9.  地球的生命力量（Gaia 假說）

10. 植物和微生物對物理環境的影響 • 火山爆發，水土流失，冰河退去，人類工業污染地，都會造成「無生物」的地區。但是生物將會逐漸的進入。 • 植物和微生物，相互幫忙，改變這些無生物」地區的物理化學情況。 • 某些細菌和藍綠藻(cyanobacteria)可以固定空氣中的氮，提供植物的氮肥需要。 • 植物和微生物，對地區和全球的濕度和溫度都有主控的影響力。

11. 植物和微生物對物理環境的影響 • They help maintain soils and thus influence the way in which water cycles through the environment. • The influence the content of the atmosphere and thus the climate. • 瞭解他們的功能，最簡單的方法就是看看去除他們後，會有怎樣的結果？

12. Dust Bowl (美國中西部) • Dust Bowl occurred during the 1930s. • The Dust Bowl region is normally dry and windy, but the native perennial grasses had roots extensive enough to hold the soil in place. • 於1800s，當原生草原開墾為農地後，經過一段旱季，減少農作物的成長，土壤表面轉變為細砂。然後就出現如 Dust Bowl，Fig.3-2。

13. 森林砍伐的結果 • 於北非，Algeria原有森林被砍伐殆盡，結果是地區雨量減少，山上雪量減少，更多更嚴重的乾旱，飲用水短缺和大規模的水土流失(Zaimeche 1994)。 • 於非洲Sahara沙漠南方，因為過度的牧養和取用燃木，因而造成於1980s的乾旱災難。(Fig.3-3) • In the humid Tropics, where vegetation holds most of the nutrients in the system, deforestation can greatly decrease soil fertility, with tragic consequences.

14. 地球的大氣環境 • The gaseous content of the earth’s atmosphere is influenced by the activities of plants and microorganisms. • The global increase in methane production is in part attributable to inputs from cultivated plants, particularly microbial activity associated with rice paddies. • Methane is 20 times more efficient than carbon dioxide as a greenhouse gas.

15. 動物對物理環境的影響 • Animals may affect the physical environment, but not as dramatic as those of plants and microorganisms. • 蚯蚓的活動可改變土壤的結構和營養狀況。各種動物的活動，鑽洞，踐踏，排遺等，都會對物理環境造成影響。 • 水中的生物也會影響水域環境。

16. 人類對自然世界的影響 • Homo sapiens is an animal species possesses most potential to change the physical characteristics of the natural world. • 譬如： Dust Bowl、Victoria湖泊的案例。 • 人類科技增加農業生產力和延長壽命，但也付出代價。The processes and byproducts of technology redistribute natural materials in ways that can cause dramatic changes in the physical conditions of the earth.

17. redistribution of carbon • 人類的農業開墾、森林砍伐、工業生產、能量耗用、環境污染等，已經造成全球碳量的分佈，顯著的改變。 • 大氣的CO2顯著的增加。 • CO2和一些greenhouse gases 可以吸收 infrared radiation，700-1,000nm波長，而產生熱能。 • 這就是 greenhouse effect(溫室效應)。

18. 3.2 生命有獨特的特質，有別於物理体系。 • Living things are typically very distinct from inanimate object. • Living things may move, reproduce, metabolize, and maintain internal conditions that are different from the external environment. • Nevertheless, living things must function within constraints set by physical laws.

19. 物理定律 • 雖然有別於物理体系，但是生命的各種活動與功能，都受限於物理定律，都必要合乎物理定律。 • 如同汽車燃燒汽油(化學過程)，轉換出能量，推動引擎產生動力(機械過程)。生命也代謝碳水化合物(化學過程)，轉換出能量，推動肌肉和骨骼產生動作(機械過程)。這些化學和機械的過程，都同樣要合乎物理和化學的定律。

20. 物理運作 vs. 生命運作 • 土石會向下掉落，因為有地心引力。 但是鳥可以飛起來，對抗地心引力。 • 周遭的氣溫雖然很低，但溫血動物仍可以維持自體的高溫狀態。(如：北極熊) • Unlike physical systems, living organisms have a purposeful existence. • 生命如同建築物，受到物理的限制；但生命是有別於建築物。

21. 生命的維持 • Life is a special part of the physical world, but it exists in a state of constant tension with its physical surroundings. • 生命要持續的維持其獨特的結構和生理(有別於周遭環境狀態)，這是很辛苦的工作！ • 能量、營養、溫度、水份、…等等都須要持續不斷的維持。

22. 大人國？小人國？

23. 3.3 生物可以增加其體內的能量位階。 • 於物理環境，能量持續耗散，entropy持續增加，可用的能量下降。 • 但是於生物體，可以轉換能量，下降entropy，提升其可用能量位階。 • 如光合作用，將光能轉入化學能。 • § 熱力學定律 • 1. Energy Conservation Law （能量不滅定律 / 能量守恆定律 ） • 2. Entropy Law （能趨疲定律 / 熵定律）

24. 3.4 生物可以調控其體內與體外的能量和物質的進出。 • Flux, the movement of energy into and out of the organism is referred to as flux. (進出体系) • Fig.3-5 陽光下的一個實心鐵球。最後會達到 thermodynamic steady state • Unlike the sphere, organisms can exercise some control over the flux of energy through their bodies.

25. 維持flux狀態的穩定 • A mammal’s thick winter fur reduces the conductance of heat from its body to its surroundings. • The exterior surface of a leaf is protected from water loss by a waxy cuticle. • 動物會感應環境的各種狀況，選擇其適當的棲息位置，以維持其flux狀態的穩定。

26. Passive flux and Active flux • Passive flux is the natural thermodynamic tendency of materials or energy to move from areas of high concentration to areas of low concentration. • Active flux allows biological systems to accumulate substances against a physical gradient. This requires the expenditure of energy.

27. 3.5 体型大小影響結構與功能。 • 生物的生理現象，往往會隨著其體型大小而有所改變。這方面的研究就稱為allometry。 • 於生態學上，這項關係通常如此公式： • Y=aXb (allometric relationship) • 當b=1，這種關係稱為 isometry • 當b>1，隨X增加，Y增加比X快。 • 當b<1，隨X增加，Y to X之比減少。 • 當b是負值，隨X增加，Y反而減少。

28. 体型大小的影響(allometry) • Fig.3-6a(p.50)：体重與心跳速度的關係。 • b= - 0.23 b= allometric constant • 體重愈重的動物，心跳愈慢。 • Fig.3-6b 体重與耗氧量的關係。 • RMR (resting metabolic rates) • b = 0.73 • Table 3-1 魚類受到體型大小影響的特徵 • 鰓的面積、食物消耗、新陳代謝率、成長率、每窩產卵數、等等。

29. 大人國？小人國？

30. 3.6 生命体型受到適應的限制。 • Modifications of the legs and feet of horses that enable them to run swiftly also produce a built-in stiffness that makes the limbs useless for scratching and swatting flies. • The thick coat of fur promotes the conservation of body heat in cold surroundings also prevents the dissipation of excess heat in a warm environment.

31.  「適應」需要付出代價 • Every adaptation has it costs. • No organism has unlimited time, resources, or body tissue. • What it allocates to one function, it must take from another -- nothing is free. • Fig.3-7 於地下溪流生活的cavefish • has rudimentary nonfunctional eyes.

32. Suggested readings • Brock, T. D. 1985. Life at high temperatures. Science 230:132-138. • Fenchel, T. and B. J. Finlay. 1994. The evolution of life without oxygen. American Scientist 82:22-29. • Schwenk, K. 1994. Why snakes have forked tongues. Science 263:1573-1577.

33. 問題與討論 • 請提出問題！