2011 年第廿二屆國際生物奧林匹亞競賽
--實驗試題(III)
中華民國生物奧林匹亞競賽代表團
實作三:生態學與系統學
【 工 具 】 1. 解 剖 顯 微 鏡 1 2. 鑷 子 2 3. 培 養 皿 2 4. 70%酒 精 1 5 塑 膠 滴 管 1 6. 1-m 方 格 卡 紙 1 (包 在 夾 鍊 袋 中 ) 7. 四 張 彩 色 圖 片 與 一 張 黑 白 圖 片 Figures (Figures 1-3 to 1-12) 4 Figure (Figure 2-1) 1 【 材 料 】 1. 四 隻 擺 在 玻 璃 管 中 的 蜘 蛛 樣 本 (標 記 為 W、 X、 Y、 Z) 1測驗一：重建這些蜘蛛的親緣關係樹 (60 分)
A
B
Figure 1‐1 蜘 蛛 的 外 部 形 態 A.背 方 觀 B.腹 面 觀 A: 排 列 成 兩 排 ， 一 排 有 四 個 單 眼 B: 排 列 成 兩 排 ， 第 一 排 有 六 個 單 眼 C: 排 列 成 四 排 ， 第 一 排 只 有 兩 個 最 小 的 單 眼 ， 其 它 六 個 單 眼 圍 成 一 個 近 似 六 角 的 型 式 D: 排 列 成 三 排 ， 前 方 四 個 單 眼 在 尺 吋 上 是 最 小 的 E: 排 列 成 三 排 ， 前 面 兩 個 中 單 眼 最 大 F: 排 列 成 三 排 ， 第 二 排 有 四 個 單 眼 G: 共 有 八 個 單 眼 ， 其 中 有 一 個 ” 兩 眼 集 合 組 ” 及 兩 個 ” 三 眼 集 合 組 ” H: 只 有 六 個 單 眼 然 後 有 兩 個 ” 三 眼 集 合 組 ” I: 有 六 個 單 眼 然 後 有 三 個 ” 兩 眼 集 合 組 ” Figure 1‐2 蜘 蛛 單 眼 的 排 列 型 式Figures1‐3 到 1‐12 的 蜘 蛛 特 徵 狀 態 圖 說 與 縮 寫 Figure1‐3 書 肺 (book lung) A 兩 對 B 一 對 Figure1‐4 績 絲 器 (spinnerets) A 三 對 B 兩 對
Figure1‐5 篩 器 ， 輔 助 績 絲 器 官 (Cribellum) A.沒 有 B.有
Figure1‐6 第 四 後 跗 節 (metatarsus)上 的 基 節 櫛 狀 構 造 (calamistrum) A.沒 有 B 有 Figure1‐7 爪 (tarsi claw) A.三 個 B.兩 個
Figure1‐8 爪 的 毛 束 A.沒 有 B.有
Figure1‐9 前 績 絲 器 (AS)的 基 部 A.遠 遠 地 分 離 B.接 近 或 連 在 一 起 Figure1‐10 步 足 型 式 A. 前 行 性 (往 前 放 ) B 側 性 性 (往 兩 側 放 )
Figure1‐11 第 一 對 與 第 二 對 足 的 脛 節 (tibia)與 後 跗 節 有 一 系 列 的 長 刺 ， 而 這 些 長 刺 間 雜 有 短 剛 毛 A.沒 有 B.有
Figure1‐12 第 四 對 步 足 腿 節 上 是 否 有 感 覺 毛 簇 (trichobothria) A.沒 有 B.有
1-1 一 些 常 見 蜘 蛛 的 檢 索 表 世 界 上 有 很 多 各 式 各 樣 的 生 物 ， 對 於 不 熟 悉 的 生 物 ， 生 物 學 家 通 常 會 選 擇 一 些 合 適 的 檢 索 表 ， 試 著 找 到 這 些 生 物 的 名 稱 。 所 謂 二 叉 式 檢 索 表 (非 a 即 b)也 就 是 使 用 一 些 鑑 識 特 徵 把 生 物 一 步 一 步 地 分 成 不 同 類 群。在 以 下 的 檢 索 表 中，請 由 1 開 始，選 擇 你 認 為 你 在 標 本 上 所 看 到 的 特 徵 狀 態 (a 或 b)，然 後 依 次 檢 索 直 到 物 種 的 學 名 被 鑑 定 出 來。以 下 是 一 些 全 球 常 見 蜘 蛛 的 檢 索 表 。 一 些 常 見 蜘 蛛 的 檢 索 表 1a 有 兩 對 書 (Fig. 1‐3A)……… 2 1b 有 一 對 書 肺 (Fig. 1‐3B)……… 3 2a 三 對 績 絲 器 (Fig. 1‐4A)………... A. aus 3a 績 絲 器 前 面 有 一 個 cribellum (Fig.1‐5B)， 在 第 四 對 足 的 後 跗 節 有 一 個 calamistrum (Fig.1‐6B)……….… Z. cus 3b 績 絲 器 沒 有 cribellum 也 沒 有 calamistrum (Fig. 1‐5A, 1‐6A)……… 4 4a 有 六 個 單 眼 ……….. 5 4b 有 八 個 單 眼 ……….. 6 5a 六 個 單 眼 以 三 個 ” 二 眼 集 合 體 ” 型 式 出 現 (Fig. 1‐2I)………. S. dus 5b 六 個 單 眼 以 兩 個 ” 三 眼 集 合 體 ” 型 式 出 現 (Fig. 1‐2H)………. P. eus 6a 跗 節 有 兩 爪 (Fig. 1‐7B),有 或 沒 有 跗 節 毛 束 ……… 7
6b 跗 節 有 三 爪 (Fig. 1‐7A),絕 對 沒 有 跗 節 毛 束 (Fig. 1‐8A)………. 10 7a 單 眼 以 三 排 或 四 排 型 式 排 列 (Figs. 1‐2C, D, E, F)……… 8 7B 單 眼 以 兩 排 型 式 排 列 (Figs. 1‐2A, B)………. .9 8a 三 排 單 眼 排 列 成 4‐2‐2 的 型 式 ， 兩 個 中 單 眼 (AMEs)特 別 大 (Fig. 1‐2E)…………. T. fus 8b 三 排 單 眼 排 列 成 2‐4‐2 的 型 式 (Figs. 1‐2F)， 兩 個 中 單 眼 非 屬 以 上 型 式 ………… C. gus 9a 兩 個 前 方 的 績 絲 器 基 部 遠 遠 分 離 (Fig. 1‐9A), 步 行 足 是 往 前 伸 的 (Fig. 1‐10A)…. Z. hus 9b 兩 個 前 方 的 績 絲 器 基 部 連 結 (Fig. 1‐9B), 步 行 足 往 兩 側 伸 (Fig. 1‐10B)………... T. kus 10a 單 眼 排 列 成 六 邊 型 , 以 2‐2‐2‐2 四 排 型 式 出 現 (Fig. 1‐2C)………... O. lus 10b 單 眼 並 不 排 列 成 六 邊 型 ……….. 11 11a 單 眼 排 列 成 兩 排 (Figs. 1‐2A, B)………. 12 11b 單 眼 排 列 成 三 排 (Figs. 1‐2D, E, F)……….………… P. mus 12a 第一對與第二對步足的脛節與後跗節有一整排長刺中間雜有短剛毛(Fig.1‐11B) ………. M.nus 12b 第 一 對 與 第 二 對 步 足 沒 有 這 種 構 造 ………... 13 13a 第 四 步 足 腿 節 遠 體 端 具 有 兩 排 的 感 覺 毛 簇 (Fig. 1‐12B)………. L. ous 13b 第 四 步 足 腿 節 沒 有 這 樣 的 毛 簇 (Fig. 1‐12A)……….…… N. pus
問 題 1.1.1 (一 隻 正 確 鑑 定 蜘 蛛 得 4 分 ， 共 計 16 分 ) 將 蜘 蛛 的 編 號 與 名 字 分 別 配 對 ， 並 在 你 的 答 案 卷 上 把 蜘 蛛 編 號 填 在 正 確 的 格 子 中 。 每 一 隻 蜘 蛛 的 編 號 只 能 使 用 一 次 ， 否 則 重 覆 的 編 號 都 不 予 計 分 。 問 題 1.1.2 (一 小 格 得 0.65 分 ， 共 計 13 分 ) 把 你 鑑 定 出 來 的 蜘 蛛 的 特 徵 依 據 表 中 左 列 特 徵 填 入 其 狀 態，有 填 ”+”，沒 有填 ” -”。 (每 一 小 格 錯 會 倒 扣 0.2 分 ， 扣 到 零 分 為 止 ) 1-2 重 建 八 種 蜘 蛛 的 親 緣 關 係 樹
以 下 特 徵 矩 陣 代 表 了 八 種 假 想 物 種 (A-H)的 特 徵 (a-t)。根 據 這 個 矩 陣，A 是 外 群 而 其 它 的 類 群 是 內 群 。 0 代 表 祖 徵 ， ” -”代 表 缺 失 特 徵 。 1-6 代 表 衍 徵 。 我 們 可 使 用 共 有 衍 徵 來 重 建 其 支 序 圖 。 每 一 個 特 徵 在 某 分 支 上 的 變 化 表 示 一 個 演 化 事 件 的 步 驟 (例 如 e-5, t-4)。 圖 Figure1-13 所 顯 示 的 樹 是 唯 一 的 最 簡 約 樹 ， 並 顯 示 所 有 節 上 的 特 徵 變 化 ， 而 1-15 代 表 這 棵 樹 上 的 15 個 變 化 。
(特 徵 矩 陣 1-1) Figure 1-13 由 矩 陣 1-1 所 得 之 最 簡 約 樹 問 題 1.2. 請 把 1-15 各 步 所 代 表 的 特 徵 變 化 (例 如 e-1)填 入 答 案 卷 中 根 據 1-13 圖 所 顯 示 的 支 序 圖 回 答 以 下 的 問 題 ： 問 題 1.3.1.(2 分 ) 這 棵 樹 長 到 底 總 共 有 幾 步 問 題 1.3.2.(2 分 ) 除 了 e-1， 還 有 那 個 特 徵 具 有 趨 同 演 化 問 題 1.3.3.(2 分 ) 請 問 (C,D)的 姐 妹 群 為 何 ？ (A){E, F} (B){H, B, G} (C){F} (D){H} (E){B, G} 問 題 1.3.4. (每 一 正 確 答 案 得 0.4 分 ， 共 2 分 ) 以 下 那 些 特 徵 變 化 發 生 在 m-1 之 前 ？ 若 正 確 在 答 案 卷 中 的 True 欄 打 X， 若 錯 誤 請 在 False 欄 打 X Character s-1 s-2 a-1 g-1 d-1 問 題 1.3.5 以下五個分類群屬於什麼型的分類群？ I 表示多系群，II 表示多系群，III 表示單系群 Taxon {H} {B, C, G, H} {C, D, E, F} {B, G, H} {B, E, G} Taxa Character a b c d e F g h m n o p s T A 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - B 1 1 0 1 5 0 0 1 1 1 0 0 2 - C 1 1 0 1 6 0 0 0 0 0 0 0 2 - D 1 1 0 1 3 0 0 0 0 0 0 0 2 - E 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 3 F 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 4 G 1 1 0 1 4 0 0 1 1 1 0 0 2 - H 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 2 -
測驗二：測試一個生物群落中的物種伴生狀態 (40 分)
對 於 生 物 群 落 的 基 本 概 念 是 ” 物 種 之 間 的 伴 生 或 依 存 關 係 實 際 上 傾 向 於 非 逢 機 ” 。 如 果 要 瞭 解 一 個 群 落 中 的 物 種 伴 生 狀 態 其 中 一 種 方 法 就 是 使 用 一 個 二 維 表 格 (如 Table 2-1-0 所 示 )： 如 果 一 個 樣 區 包 含 了 X 與 Y 兩 個 物 種 ， 那 麼 這 種 狀 態 被 標 記 為 a， 然 後 如 果 一 個 樣 區 只 有 Y、 X、 或 都 沒 有 ， 則 分 別 被 標 記 為 b、 c、 或 d。 Table 2-1-0 Species y Species x Total Present Absent Present A b a+b Absent C d c+d Total a+c b+d n n = a + b + c + d (所 有 出 現 狀 況 之 總 合 為 n) P(x) = (a+c)/n (獲 得 X 物 種 的 機 率 ) P(y) = (a+b)/n (獲 得 Y 物 種 的 機 率 ) JP = P(x) × P(y) (兩 個 物 種 都 存 在 的 機 率 ) = n × JP(兩 物 種 皆 存 在 狀 況 之 期 望 值 ) (2 ) (卡 方 分 析 的 顯 著 水 準 ) Significance level (α) Df 0.05 0.01 1 3.841 6.635 2 5.991 9.210 3 7.815 11.345 圖 2-1 顯 示 一 個 假 想 群 落 中 A 植 物 (○ )、B 植 物 (● )以 及 一 種 伴 生 蜘 蛛 (✽ )的 分 布 圖。每 一 個 方 格 為 0.50.5 平 方 公 尺 (此 為 Fig.2-1 之 圖 例 ， 並 標 記 出 C-3 作 為 例 區 )2-1 以 樣 框 法 分 析 A 植 物 與 蜘 蛛 的 伴 生 關 係，作 法 如 下：使 用 一 個 一 公 尺 見 方 的 樣 框 與 以 下 40 種 逢 機 抽 選 的 點 作 為 該 方 格 的 中 心 點 (也 就 以 每 個 點 為 中 心 會 有 22 個 小 方 格 ) N-11, S-8, F-10, Q-18, O-16, K-2, L-4, M-17, M-4, H-17 X-2, K-11, T-19, M-8, P-10, G-8, B-19, M-19, S-10, O-12 J-18, D-7, B-17, I-11, B-10, G-13, V-16, C-3, F-5, R-15 L-2, Q-11, R-5, G-11, K-10, T-10, X-9, R-3, O-3, F-16 問 題 2.1.1 在 答 案 卷 上 的 Table2-1-1 寫 下 結 果 ， 並 回 答 以 下 五 個 問 題 問 題 2.1.2a. (0.6 分 ) 計 算 A 植 物 出 現 的 機 率 問 題 2.1.2b. (0.6 分 ) 計 算 蜘 蛛 出 現 的 機 率 問 題 2.1.2c. (0.6 分 ) 計 算 兩 者 皆 出 現 的 機 率 問 題 2.1.2d. (0.6 分 ) 兩 者 皆 出 現 之 狀 況 的 期 望 值 問 題 2.1.2e. (0.6 分 ) 如 果 兩 個 物 種 都 出 現 的 觀 測 值 比 起 期 望 值 為 高 ， 那 麼 我 們 就 說 兩 物 種 的 伴 生 關 係 是 正 相 關 ， 若 較 期 望 值 為 低 則 為 負 相 關 。 所 以 植 物 A 與 蜘 蛛 的 伴 生 關 係 為 何 ？ P 表 正 相 關 N 表 負 相 關 2-1-3 在 自 由 度 為 1 的 情 況 下 ， 如 何 計 算2的 公 式 2 2 ( - ) ( )( )( )( ) n a b c d n ad bc a b c d a c b d 問 題 2.1.3. (2 分 ) 根 據 你 所 完 成 的 Table 2-1-1 計 算 並 取 到2小 數 點 第 四 位 2-1-4 V 這 個 係 數 被 拿 來 估 計 兩 個 物 種 伴 生 關 係 的 強 度 ， 而 V 值 的 範 圍 由 -1(強 烈 負 相 關 )到 +1(強 烈 正 相 關 )而 0 表 示 無 相 關 。 -( )( )( )( ) ad bc V a b c d a c b d 問 題 2.1.4a. (2 分 ) 計 算 2-1-1-表 中 所 得 之 V 值 到 小 數 點 第 四 位 問 題 2.1.4b. (2 分 ) 根 據 V 值，請 在 答 案 格 中 以 X 標 示 這 兩 個 物 種 的 伴 生 關 係 強 度 落 在 何 等 級 2-2 以 下 這 個 表 顯 示 以 40 個 逢 機 放 置 的 2 公 尺 見 方 樣 框 所 得 到 的 數 據
Table 2-2-1 Plant-A(○ ) Spider (✽ ) Total Present Absent Present 14 16 30 Absent 8 2 10 Total 22 18 40 在 自 由 度 為 1 的 狀 況 下 進 行 卡 方 分 析 得2 = 0.3670V = -0.2901 V 值 為 -0.2901 根 據 Table 2-2-1 回 答 以 下 問 題 ： 問 題 2.2.1a. (2 分 ) A 植 物 與 蜘 蛛 的 伴 生 關 係 為 何 ？ (P 表 正 相 關 ， N 表 負 相 關 ) 問 題 2.2.1b. (2 分 ) 那 麼 根 據 V 值，這 兩 種 生 物 伴 生 關 係 的 強 度 落 在 何 等 級 ？ (以 X 填 入 表 格 ) 問 題 2.2.2. (共 6 分 ) 回 答 以 下 陳 述 為 ” 是 ” 或 ” 否 ” 並 以 X 填 註 問 題 2.2.2a. (2 分 ) 無 論 是 使 用 1m 或 2m 見 方 的 樣 框 (sections 2-1 與 2-2)都 讓 我 們 拒 絕 物 種 伴 生 關 係 為 逢 機 的 假 說 問 題 2.2.2b. (2 分 ) 樣 框 尺 吋 越 大 結 果 就 會 越 精 確 問 題 2.2.2c. (2 分 ) 若 在 樣 框 法 上 增 加 取 樣 數 ， 應 該 可 以 增 進 物 種 伴 生 研 究 結 果 的 精 確 性 2-3 根 據 完 整 的 圖 2-1， 以 最 近 鄰 法 系 統 性 地 整 理 每 株 植 物 最 近 鄰 居 的 出 現 頻 度 ， 來 評 估 A 植 物 (○ )與 B 植 物 (● )之 間 的 伴 生 狀 況 ， 並 把 結 果 填 在 答 案 卷 中 ” 。 問 題 2.3.1. (1 格 0.5 分 ， 共 3 分 ) 把 結 果 填 入 Table2-3-1 中 問 題 2.3.2a. (2 分 ) 根 據 Table2-3-1 結 果 以 及 自 由 度 為 1 的 狀 況 計 算2至 小 數 點 第 四 位 問 題 2.3.2b. (3 分 ) 這 兩 種 植 物 的 分 布 是 逢 機 ？ 伴 生 ？ 或 完 全 無 關 ？ 以 X 填 入 正 確 的 答 案 格 2-4 請 問 以 下 陳 述 為 ” 是 ” 或 ” 非 ” ？ 請 以 X 標 記 在 答 案 格 中 (4 分 ) 問 題 2.4.1.(2 分 ) 2 test 對 ” 最 近 鄰 法 ” 的 虛 無 假 說 是 ” A 植 物 與 B 植 物 皆 為 逢 機 分 布 ” 問 題 2.4.2.(2 分 ) 以 ” 最 近 鄰 法 ” 可 避 免 樣 框 法 所 產 生 的 問 題 (待 續 )
轉 載 自 ： 中華民國生物奧林匹亞委員會網站 National Biology Olympiad, Taiwan, R.O.C http://www.ibo.nsysu.edu.tw/
