仰观宇宙之大俯察品类之盛统计与生物多样性

1、仰观宇宙之大，俯察品类之盛统计与生物多样性 大綱簡介統計簡介生物多樣性生物多樣性重要性生物多樣性如何量化與估計: 各項生物多樣性指標量化的工具: 統計(Statistics)歷史 “統計”一字源自拉丁字 status（城邦、國 家）或 statista (政治家)。 最早係亞里斯多德出版之“政治學”一書 中描述 158城邦各項數字比較。 在1797年大英百科全書才出現此字。誰是亞里斯多德? (384-322 B.C.) 吾愛吾師吾更愛真理 觀念最早源自亞里斯多德“分門別類”“數東數西” 是認識我們周遭環境與世界的鑰匙1234567891011 數東數西 統計之意義(Statistics)統計:

2、 資料實證學 以機率理論為基礎 由資料中擷取有用之資訊而得到 結論的學問 資料實證學In God we trust, but everybody elsemust show data 統計流程實際問題抽樣調查 數據(資料)結論(普查資料)統計推論結論(調查資料)實驗設計 資料或數據萬物有常世事(資料)多變 統計與數學統計: 入世的學問 歸納的學問 數學: 出世的學問 演譯的學問 統計流程實際問題抽樣調查 數據(資料)結論(普查資料)統計推論結論(調查資料)實驗設計 普查與調查普查 (census):原意為徵兵或稅收 現指查到所有的個體 調查 (survey 或抽樣 sample) 只查一小部份

3、的個體往往沒辦法也沒必要查到所有的個體 調查: 民意測驗你只需喝一湯匙的海水就知道整個大海的海水鹹度調查: 代表性的樣本 1929 流行病學的一個例子 肺結核與癌症: 所有死於肺結核的人中 沒有一個有癌細胞 統計推論將樣本的結論推廣到母體(族群)統計模型以連結資料與族群已知資料未知族群統計模型統計應用 工業統計（包含實驗設計、品管、可靠度等） 生物統計（包含動植物、生態統計、流行病、 環境統計、醫學統計、藥學統計、 遺傳統計) 產經統計（包含計量統計、財務統計等） 社會統計 （包含民意調查、社會調查) 統計工作者和其它學科的人共同合作各種背景的都適合讀統計Excellence through

4、diversity 生物多樣性部份內容取材自 生物多樣性兩本參考資料生物多樣性定義生物多樣性（biodiversity: biological diversity） 一詞最早在1986年美國華盛頓區舉行之 “生物多樣性國家論壇”(National Forum on Biological Diversity) 提出最早出現該會議所出版的論文集的標題 生物多樣性是指地球上所有生物的多樣化與變異性，它涵蓋了所有從基因、個體、族群、物種、群落、生態系到地景等各種層次的生命型式 各種層次的生命型式個體族群群落生態系基因 人為造林(缺乏多樣性) 土地公造林(具多樣性) 人定不勝天 生物多樣性層次基因(遺傳

5、)多樣性物種多樣性生態系多樣性 基因(遺傳)多樣性:品種改良 傳統育種（花粉交配等自然方法孕育)基因轉殖技術（利用某些基因注入技術)基因多樣性的重要性(1) 1970年代未期，東亞地區的稻作遭到一種叫草狀矮化病的威脅，倘若無法控制它的蔓延，千百萬人食物將面臨重大危機。因此，稻米科學家們瘋狂地搜尋全世界基因銀行所儲存的四萬七千種基因，以求能找出抗病基因。最後，他們在印度一個山谷找到了一種可以阻止這種病原的野生種，從三株稻米品種取得抗病基因，而挽救七十年代稻米生產危機。基因多樣性的重要性(2) 一九七O年，咖啡銹病曾威脅巴西咖啡的生產，因此巴西的加啡科學家便到衣索匹亞找到了抗咖啡銹病的基因，而與巴

6、西的咖啡作雜交後，及時挽救了咖啡。因此目前大部份的巴西咖啡都是一棵衣索匹亞咖啡樹的後裔。（威爾遜,1993）基因多樣性的重要性掌握種子基因就能控制農業 基因流失就是物種滅絕的 前奏人類是第三種猩猩？ (1% DNA difference 400 萬年) 人之異於禽獸幾希? 真稀1.2% - 1.6%生命分類: 五界動物植物菌物(香菇,蕈)原生物(藻類,草履蟲)原核物(細菌)物種知多少?現有 150-180萬種仍有更多未發現者估計 500-1000萬也有上估一億 生態系多樣性森林生態系 (熱帶雨林, 溫帶闊葉林,寒帶針葉林)海洋生態系沙漠生態系草原生態系河流生態系濕地生態系 生物多樣性的重要性穩

7、定生態系與自然環境提供人類食衣住行育樂和藥物的來源人類的健康與經濟所繫啟發人類的心靈與文化 生物多樣性的重要性 生物多樣性是人類最珍貴的資產 後代子孫最不能原諒我們的就是生 物物種的滅絕” (Wilson, 1992) 台灣的生物多樣性台灣地勢起伏，高山林立，孕育出各式各樣的生態系，包括海洋、珊瑚礁、河川、溪流、濕地、紅樹林、沼澤、森林、草原及寒原生態系，極具多樣性。據估計，台灣的物種多達15萬種以上，是生物多樣性豐富的寶島。 生物多樣性的消失資源過度利用：森林過度開發、農漁業資源過度收穫。(吃光、喝光、用光光)土壤、水和大氣的污染棲息地的喪失、破壞或切割、劣化氣候變化現代化的育種程序及提高生

8、產力的作業方式，使得多樣性迅速減少外來種的入侵 櫻花鉤吻鮭:萬山不許一魚洄除了傳統的捕撈，農業開墾也導致水土流失、森林火災與水質汙染。此外，為了減少德基水庫的淤積，人類在六年代於大甲溪上游興築了二十餘座攔砂壩，更是對櫻花鉤吻鮭造成致命性的危害。攔砂壩阻斷鮭魚向上洄游的道路，每逢颱風或暴雨，被洪水沖到下游的櫻花鉤吻鮭便往往客死他鄉。少數倖存的，也會因為水溫過高而無法繁育下一代。攔砂壩同時會破壞河床，使水溫上升、食物減少。因此雪霸國家公園一直將拆除攔砂壩的計畫，列為櫻花鉤吻鮭棲地改善的重點項目。 消失的速度目前世界上每天約有一百種以上的物種在滅絕。倘若此種惡化的趨勢再不改善，到了2050年，世界上

9、將有四分之一的物種消失，人類將難以生存。 台灣的保育政策 保育生物多樣性要走出過去物種保育，從長期地保育生態系著手 （金恆鑣, 1997）人工復育即使100成功，但外界缺乏其所需的棲息地，野放後也會100死亡 （呂光洋, 1998） 台灣的保育政策 保育並非保育稀有種而已，保育不是僅止於設置國家公園、自然保護區，取締幾根犀牛角避免國際制裁等等被動式的措施 （陳玉峰, 2000）合理而有效的保育，當由生態系的保育做起 （吳海音, 1999） 生物多樣性的保育 為了挽救基因消失、物種滅絕、生態體系劣化，聯合國訂2010年為 國際生物多樣性年。以提升人們的環保相關意識，保育生物多樣性、永續利用、及多

10、樣性消失對人類福祉造成的影響，並期許藉此激發全球運動！國際生物多樣性年的標語一語道盡生物多樣性對人類的重要性: 生物多樣性就是生命，生物多樣性是我們的生命 (Biodiversity is life; Biodiversity is our life)。 生物多樣性的保育 然而環境與物種因國而異，各國都應致力其本土的生物多樣性的保育，同時教育每一個人對自然的尊重與對生命的關懷才是最重要的關鍵所在。量化生物多樣性:多樣性中性指標基本含意: 考量物種數目多寡與均勻程度 (不考慮分類與演化歷史)通常無法只由一個指標來量度判定，必須考量多個指標 一個群落指標(最古老直接的指標) 種類數: -地方性 -

11、區域性 -全球性四個種類三個種類More diverse 勝三個種類不均勻More diverse 勝三個種類均勻Which One 勝?四個種類但不均勻三個種類但均勻中性指標 Species-Neutral Diversity:S species and indexed by 1, 2, ., S Species relative abundance/biomass (p1, p2, , pS ) sum=1 Gini-Simpson指標任取兩個體其分屬於不同種類的機會Simpson 重複指標 (任取兩個體其 屬於相同種類的機會) 一個群落指標:熵指標 (Shannons entropy i

12、ndex) uncertainty in the species identity of a randomly sampled individual Hill (1973) 重復準則 (Replication Principle)假若兩個完全相異(沒有相同物種)的群落其各自多樣性為 X混合此兩個群落, 其多樣性應為 2X那些指標滿足重復準則? 物種數?熵指標?Gini-Simpson指標?Yes!no!no!Numbers Equivalent: transform to units of “species”Entropy = 3 is equivalent to exp(3) = 20.8

13、“species”Simpson index = 0.1 is equivalent to 1/0.1 = 10 “species”Hill指標族 (order q) q = 0, 0D =物種數q =1, 1D =熵指標指數q = 2, 2D = Simpson 倒數“Order” q: q: 決定指標對物種豐富度的敏感度 (或加權度) q 1, 對豐富種敏感(加權) q 1, 對稀有種敏感(加權) q = 1, 按資料加權多樣性指標 Diversity若為均勻豐富度, 則 pi相同, qD = S; “有效物種數”(Hill,1973)直觀解釋: 多樣性與具D 物種之均勻群落相同Examp

14、le 1: 100 物種, 500 個體 (5, 5, 5, 5, 5, 5, 5)q = 0, 0D = Species richness = 100q =1, 1D = exp(H) = 100q = 2, 2D = 1/Simpson = 100Example 2: 100 物種, 500 個體q = 0, 0D = Species richness = 100q =1, 1D = exp(H)q = 2, 2D = 1/SExample 3: 100 物種, 500 個體q = 0, 0D = Species richness = 100q =1, 1D = exp(H)q = 2,

15、2D = 1/SExample 4: 100 物種, 500 個體q = 0, 0D = Species richness = 100q =1, 1D = exp(H) = q = 2, 2D = 1/S物種數 (q = 0) 直接並且直觀的指標 但並無考慮物種豐富度 統計上估計困難指標估計 q = 0,統計上估計困難 q = 1, 可以利用統計方法降低偏差 q = 2, 不偏估計量存在多樣性的分解:多樣性隨空間與時間改變-多樣性 (群落內物種多樣性，即單一群落平均物種多樣性)-多樣性 (群落間差別，量度群落多樣性) 進而可得到群落相似指標或分化指標-多樣性 (混合群落之物種多樣性) 量度生物多樣性生物學、生態學、地理資源、統計學、遺傳、演化等各方合作統計模型以連結資料與族群或群落已知資料未知族群統計模型 統計模型如何選擇合適的模型科學方法多樣性: 百家爭鳴、百花齊放 Excellence through diversity Various Diversity IndicesProgram SPADE (Species Prediction And Diversity Estimation)Program and Users Guide Downloadable from website Developed by Chao and She