IB生物/選修G - 生態學與保護

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物種生態學

生態學是研究生物與其環境之間相互關係的科學，包括非生物和生物因素，重點關注它們之間的種間和種內關係。

概述影響植物物種分佈的因素，包括溫度、水、光照、土壤pH值、鹽度和礦物質養分。

• 高溫使酶變性並抑制植物生長；蒸騰作用（水分散失）速率也增加。低溫降低酶活性，冰點溫度使酶失活。大多數植物生活在中等溫度區域。
• 水是酶活性、運輸、光合作用、支撐和許多其他事物的必需品。沙漠和極地地區的植物多樣性較低。
• 光照對光合作用和開花很重要。黑暗區域的植物數量很少。
• 土壤pH值對養分的吸收很重要。如果土壤呈酸性，則可能發生荒漠化；使用石灰石可以中和土壤。
• 鹽度會影響透過滲透作用的吸收。高鹽度會導致植物透過滲透作用損失水分。鹽生植物生活在高鹽度環境中。
• 礦物質養分是許多重要功能所必需的。氮用於製造蛋白質、酶、核苷酸、維生素和其他化合物。磷用於形成磷脂和其他結構。

解釋影響動物物種分佈的因素，包括溫度、水、繁殖地、食物供應和領地。

• 溫度會影響動物的集中度。只有特別適應的生物才能生活在極端溫度下。
• 水是維持生命功能所必需的，因此只有能夠節水的動物才能在沙漠中生存。
• 繁殖地是幼體生長和保護所必需的。有些動物需要特定的區域進行繁殖。地形多樣的地區動物多樣性較高。
• 食物供應對於動物的生存至關重要，因為動物是異養生物。熱帶雨林中動物多樣性再次較高。
• 有些動物具有領地意識，需要大片區域覓食、交配和保護幼體。有些動物在繁殖季節具有領地意識，並佔據區域以阻止其他動物靠近。在有足夠空間佔據領地並抵禦其他同類的地方，動物分佈較多。

使用計算出的t值和相應的表格，推斷兩組資料之間差異的意義。

• t檢驗可用於衡量兩個總體均值之間是否存在顯著差異。例如，如果您測量兩個島上兔子的重量，t檢驗公式將根據均值之間的差異及其之間的變異程度來計算是否存在顯著差異。臨界t值表用於確定差異僅僅是隨機機會的機率。

解釋生態位概念的含義，包括生物的空間棲息地、攝食活動及其與其他生物的相互作用。

• 生態位是特定物種的所有特徵，包括生物和非生物因素。它包括棲息地、營養和關係。例如，物種睡覺、生活、繁殖的地方、其食物來源以及與其他物種的關係。

解釋競爭排斥原理。

• 競爭排斥原理首先由洛特卡和沃爾泰拉提出，當兩個物種需要相同的資源時就會發生，因此它們會競爭直到一個物種被淘汰。在任何兩個物種非常相似且爭奪相同食物來源或繁殖地的環境中，其中一個物種在控制資源或快速繁殖方面會略有優勢。另一個物種會被淘汰。俄羅斯生態學家G.F. 高斯在實驗室中進行的細菌種群實驗表明，這一概念在實踐中是準確的。這一原理被稱為競爭排斥原理。

• 沒有兩個物種可以生活在同一個生態位中，因為它們會爭奪土地資源，並且只有一個物種能夠生存。

群落生態學

解釋物種之間以下相互作用，並各舉兩例：競爭、食草、捕食、寄生和互利共生。

• 競爭是指兩個物種需要相同資源，例如繁殖地或食物。通常，其中一個物種會勝過另一個物種。道格拉斯冷杉和西鐵杉是美國競爭的樹種。
• 食草是動物和植物之間的關係。不同的動物以不同的植物為食。鹿以樹葉為食，兔子以草為食，長頸鹿以樹木為食。
• 捕食是捕食者（通常較大）和獵物（通常較小）之間的關係。例如狐狸和兔子，或者鯕鰍捕食鳳尾魚。
• 寄生是宿主和寄生蟲之間的關係。寄生蟲會對宿主造成傷害以獲取食物和其他資源。寄生蟲的例子包括人類體內的瘧原蟲和絛蟲。
• 互利共生是指兩個不同物種的成員相互受益，且都不受損害。例如，瘤胃細菌/原生動物在奶牛的消化系統中消化纖維素，為奶牛提供能量來源，為細菌提供穩定的棲息地。地衣和綠藻/小球藻（一種藻類）也表現出這種關係。地衣提供附著在表面的手段，藻類進行光合作用以產生糖類和營養物質。

定義總生產量、淨生產量和生物量。

• 總生產量是指生態系統中一個營養級在單位面積單位時間內產生的有機物質總量。
• 生態系統的淨生產量是指總生產量減去植物呼吸消耗的物質。
• 這兩者都以千焦每平方米每年為單位測量。
• 生物量是指生態系統中生物體有機物質的乾重。

根據給定資料計算總生產量和生物量。

• 總生產量 - 呼吸量 = 淨生產量

討論將生物分類為營養級的困難。

• 這很難，因為有些生物可以同時是次級消費者、三級消費者，甚至可能是四級消費者，例如人類。很難將它們放在食物金字塔的特定級別上。
• 出於這個原因，開發了一種替代的分類方法——食物網。食物網顯示的關係不是簡單的等級結構，而是一個複雜的網路，各種物種之間的攝食關係作為連線存在，動物本身作為中心存在。

解釋較高營養級生物量小和數量少的原因。

• 較高營養級的生物量減少是因為能量以熱量（呼吸）、廢物和死亡物質的形式在各級之間損失。大約10-20%的能量傳遞到下一個營養級。

根據適當的資訊構建能量金字塔。

• 能量金字塔的最底層代表總初級生產力，下一層代表初級消費者攝入的食物中的能量，依此類推。箭頭表示能量流的方向。單位為單位面積單位時間的能量。

描述生態演替，並舉一個例子。

• 生態演替是指生態系統中群落組成隨時間推移而逐漸發生變化的過程。如果演替發生在無生命區域，則稱為初生演替。它可以在火山、火災或洪水等事件之後開始。
• 這個過程通常是這樣的：地衣、苔蘚、蕨類、開花植物、針葉樹。
• 例如，在智利南部奧索爾諾火山火山灰覆蓋地面後：苔蘚在火山灰上蔓延。小型草本植物和蕨類植物出現，並透過其根部的活動開始形成土壤。灌木和灌木生長並取代它們。然後開花樹木生長，然後是針葉樹和其他更大的樹木形成森林。

解釋生物體對非生物環境的影響，並參考生態演替到頂極群落期間發生的變化。

• 生物體可以幫助土壤發育，當植物生長時，它們的根系向下生長並把岩石分解成小顆粒，幫助土壤形成。植物死亡和分解時會用礦物質豐富土壤。植物根系將土壤顆粒結合在一起，防止土壤侵蝕並保留養分。許多植物葉片蒸發的水以雨的形式凝結並降落。土壤中有機物質的存在以及根和根毛的存在有助於保持水分並減緩排水。

生物多樣性和保護

以熱帶雨林為例，討論保護生物多樣性的原因。原因應包括倫理、生態、經濟和美學論點。

• 熱帶雨林的生物多樣性最高。
• 保護生物多樣性的倫理原因是，所有物種都有權在這個星球上生存。許多人與生物世界有著文化聯絡。未來的世世代代的人們有權像我們今天一樣享受一個健康的星球。
• 生態原因是，物種之間存在著巨大的相互作用和依賴關係。如果一個物種滅絕，食物鏈就會被打斷，從而擾亂所有其他物種。物種適應特定的條件，而其他物種可能需要很長時間才能適應自身環境。它們有助於大幅降低二氧化碳水平。
• 美學原因是，熱帶雨林是地球上最美麗的景點之一。熱帶雨林的各個地方都充滿了多樣性。許多藝術家都受到周圍生命多樣性的啟發。
• 經濟原因包括熱帶雨林是人類生活中重要材料的來源。它們調節天氣、迴圈養分和淨化水。可以從雨林中的各種植物中提取藥用物質，可能會發現新的作物，生態旅遊為這些森林所在的許多貧困國家提供了新的資金來源。

概述導致一種已命名動物和一種已命名植物物種滅絕的因素。

• 亞利桑那美洲豹由於其皮毛需求增加而滅絕。隨著人類在美洲豹棲息地的人口增加，狩獵和射擊也隨之增加，最後一隻這種稀有動物於 1905 年在新墨西哥州被射殺。
• 毛茸茸的千里光是一種草本植物，具有黃色花簇。它由於農業、建築、道路建設和其他各種人類活動對美國西南部造成的影響而滅絕。

概述辛普森多樣性指數的用途。

• 辛普森多樣性指數是衡量物種多樣性的指標。
• D = (N(N-1))/(n(n-1)的總和)。D 是多樣性指數，N 是發現的所有物種的生物體的總數，n 是特定物種的個體數量。
• 較高的 D 值表明生態系統穩定且古老，而較低的 D 值可能表明汙染、近期演替或農業管理。
• 該指數透過計算某個區域隨機選擇的區域中的生物體來確定。隨著時間的推移進行監測，可以顯示生態系統的變化。

解釋生物指標和指示物種在監測環境變化中的作用。

• 指示物種對環境變化高度敏感，其種群數量會根據環境變化而顯著增加或減少。它們是變化的良好指標。青蛙種群極易受到汙染和其他形式變化的影響，而汙泥蟲是水體中低氧濃度的良好指標。
• 生物指標是透過計算一段時間內耐受物種和不耐受物種的數量來計算的。可以隨時直接監測指示物種種群中這些生物體的數量，因此易於跟蹤。

概述過度捕撈魚類對海洋生態系統造成的損害。

• 如果魚類種群被過度捕撈，成年魚類的數量降至臨界水平以下，就會導致產卵失敗，從而導致魚類種群崩潰並摧毀漁業。
• 1973 年，秘魯的鳳尾魚漁民就發生了這種情況，當時漁獲量驟降至零。

討論促進魚類保護的國際措施。

• 國際措施是必要的，因為許多魚類在多個國家的海洋中游動。由於過度捕撈，過去 50 年來海洋中的魚類資源數量大幅下降。任何規則的執行都非常困難。
• 可以採取的國際措施包括監測魚類資源和繁殖率、對資源量低的物種的捕撈配額、禁止捕撈瀕危物種、最低網眼尺寸（以避免捕撈未成熟的魚類）以及禁止使用捕撈各種魚類的流網。
• ICES 是一個國際機構的例子，它為捕魚設定限制並提供建議。

討論就地保護瀕危物種（陸地和水生自然保護區）的優勢。

• 這些是動物在其自然棲息地中被發現的地方，人類及其活動不得干擾這些地方。
• 這使動物遠離危險區域，並使它們能夠在其自身環境中自然地生活和繁殖。大多數動物通常在使用就地保護的情況下存活率更高，並且保護其棲息地也允許其他物種在那裡生存，從而保護其他動物和生物多樣性。還可以確保更大的遺傳多樣性。
• 但是，有時數量會下降到如此低的水平，以至於動物無法在野外不受保護地生存，或者棲息地正在遭到破壞，並且這種情況不會停止。

概述自然保護區的管理。

• 自然保護區透過控制外來物種來維持。那些原本不應該在該區域的物種會被移除。
• 它們透過重新造林和物種再引入等方法恢復人類活動破壞生態系統的退化區域。
• 例如，它們透過餵養來促進受威脅物種的恢復。
• 它們還控制人類的開發利用。伐木受到控制，土地清理也受到控制。如果樹木被砍伐，就會種植更多的樹木。

概述異地保護措施的應用，包括動物圈養繁殖、植物園和種子庫。

• 對於圈養繁殖，飼養在動物園或公園中的動物可以繁殖，以便讓它們有機會增加數量，並有可能最終將一些後代重新引入野外。不幸的是，許多動物不繁殖。例如，大象。
• 植物園是許多植物物種在受控環境中種植以維持其物種的地方。邱園擁有 50,000 個物種的龐大收藏。
• 種子庫是將種子儲存在寒冷乾燥的環境中，因為它們可以保持良好的狀態長達數百年。

討論國際機構和保護措施（包括 CITES 和 WWF）的作用。

• CITES 是一項旨在控制和規範瀕危野生動植物及其產品跨境貿易，從而減少偷獵的協議。例如，透過將其列入該協議，大象偷獵有所減少。
• WWF 是一家獨立組織，試圖透過政治遊說和監測專案來拯救生物多樣性和野生動物。他們試圖透過購買土地並將其建立為自然保護區來防止某些地區被砍伐。

高階課程 氮迴圈

說明生物體中發生的所有化學元素都是生物地球化學迴圈的一部分，這些迴圈涉及水、陸地和大氣。

解釋所有生物地球化學迴圈都總結了元素透過生態系統（食物鏈）的生物成分的運動，以形成複雜的生物有機分子，隨後形成更簡單的無機形式，這些形式可以再次被利用。

• 生物體中發生的所有化學元素都是生物地球化學迴圈的一部分，這些迴圈涉及水、陸地和大氣。
• 簡單的無機形式被吸收並轉化為複雜的生物有機形式，但隨後再次分解成簡單的形式並釋放到環境中以供重新吸收。

解釋化能自養生物可以將無機物質氧化作為直接能量來源來合成 ATP。

說明化能自養僅存在於細菌中。

• 只有細菌可以透過化能自養製造食物。它們利用硝酸鹽、氨和硫等無機物質進行反應。這些物質的氧化會產生能量。然後，該能量用於將二氧化碳固定成葡萄糖，就像在卡爾文迴圈中一樣。

**繪製氮迴圈圖。**請參見氮迴圈

• 透過固氮作用，氣態氮轉化為植物和細菌的生物硝酸鹽。其他細菌也會將氮釋放回空氣中。當植物和動物死亡時，蛋白質會被分解——脫氨作用發生，形成氨，發生氧化產生亞硝酸鹽，發生更多氧化產生硝酸鹽，然後它可以透過另一株植物再次遵循這條路徑，或者繼續透過土壤中的細菌。氨也透過閃電和哈伯法（生產肥料）由氮氣形成。
• 氮迴圈並非生態系統中唯一一個反覆將複雜分子還原為簡單分子，並將簡單分子還原為複雜分子的迴圈。絕大多數其他有機物質（如鉀）也以這種方式迴圈利用，從而使生態系統能夠在沒有持續湧入新生物或營養物質的情況下生存。

概述根瘤菌、固氮菌、亞硝化單胞菌、硝化細菌和反硝化假單胞菌在氮迴圈中的作用。

• 根瘤菌和固氮菌是能夠將氮氣轉化為硝酸鹽的固氮細菌。亞硝化單胞菌將氨氧化成亞硝酸鹽。硝化細菌將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。假單胞菌是一種反硝化細菌，它能將硝酸鹽轉化為空氣中的遊離氮。前四種細菌利用土壤中無機氮化合物並將其轉化為植物可利用的物質，而最後一種則將其返回到大氣中，遠離植物。

描述有利於反硝化作用和硝化作用的條件。

• 反硝化細菌是一種有害的細菌。它們將硝酸鹽轉化為遊離氮氣。這會降低土壤肥力和植物生長。這類細菌通常只存在於積水土壤中。積水會導致土壤通氣不良和缺氧。

• 硝化作用發生在耕作過的土壤中，因為氧氣進入土壤，使土壤不利於反硝化細菌生長。

討論農民/園丁為提高土壤氮肥力採取的措施，包括使用化肥、耕作/挖掘和輪作（豆科植物的使用）。

• 農民耕作土壤以在土壤顆粒之間形成空氣空間。氧氣使土壤環境不利於反硝化細菌生長，並促進固氮細菌的生長。
• 化肥是另一種確保土壤中氮含量合適的選項：它們由無機氮加工而成，為植物提供大量的氮化合物。但是，它們容易迅速從土壤中流失，並且常常會危害周圍環境。
• 最後一種方法是輪作，即在農民想要種植的作物和某種豆科作物之間輪換種植。豆科植物與固氮細菌形成共生關係，使這些細菌能夠從無機氮或大氣氮中產生自己的硝酸鹽來源。在有利條件下，這些植物可以產生足夠的過量氮，從而更新土壤中可供來年植物使用的硝酸鹽儲量。第二年，在以前種植豆科植物的地塊上種植非豆科作物。

AHL人類對生態系統的影響

描述大氣臭氧在吸收紫外線 (UV) 輻射中的作用。

• 臭氧存在於高層大氣中，由氧氣形成。它吸收來自太陽的紫外線，分解並將紫外線能量轉化為熱能。這導致紫外線能量轉化為熱能。臭氧層不斷地形成和破壞，保護地球免受大部分有害的紫外線輻射。

概述紫外線輻射對活組織和生物生產力的影響。

• 紫外線輻射可以殺死浮游植物，浮游植物是海洋生物，佔生物圈中發生的大部分淨光合作用的很大一部分。這會影響整個海洋食物網。
• 輻射透過減緩光合作用速率來抑制陸地植物的生長，這通常是由於輻射損傷和隨後植物葉片突變的結果。高水平的紫外線還可以殺死豆科植物根瘤中固氮的共生細菌。
• 紫外線照射量的增加會增加動物皮膚癌、曬傷和白內障的發病率。

概述氯對臭氧層的化學影響。

• 氯（由紫外線從 CFC 分子中分解出來）與臭氧發生反應並分解成氧氣。一個氯原子可以分解數千個臭氧分子。這導致臭氧層消耗和紫外線穿過臭氧空洞。

討論減少消耗臭氧物質的生產和釋放的方法，包括回收製冷劑、減少發泡塑膠的生產和使用不含 CFC 的推進劑。

• 1987 年，在研究表明 CFC 正在消耗臭氧層之後，制定了蒙特利爾議定書，該議定書設定了用不消耗臭氧的物質取代 CFC 的最後期限。
• 消耗臭氧物質的兩大來源之一是回收製冷劑、發泡塑膠的生產以及使用 (CFC) 作為噴霧罐、髮膠等推進劑。這些化學物質已被大量淘汰，現在大多數公司都回收使用的製冷劑，而不是生產全新的製冷劑。
• 氮氧化物也會消耗臭氧層，可以透過減少化石燃料的使用、減少汙染的內燃機和更清潔的飛機發動機來減少氮氧化物的排放。
• 由於採取了這些措施，臭氧水平應該在 2010 年左右開始恢復正常，並在 2050 年恢復正常。

概述將未經處理的汙水和硝酸鹽肥料排放到河流中的後果。

• 被硝酸鹽肥料汙染的水將變得富含營養物質。藻類吸收大量的硝酸鹽，導致這些藻類的快速生長和繁殖，因此生態系統中藻類數量過多（藻華）。這阻擋了陽光到達更深層次的光合植物，並阻擋了大氣中二氧化碳和氧氣的進入。藻類超過其承載能力，營養物質耗盡，它們開始迅速死亡，從而促進消化它們的細菌的生長並增加生化需氧量。它們消耗大量的氧氣，導致水體缺氧，需氧生物死亡。最後，厭氧細菌開始繁殖，產生有毒的氫化物，如 H₂S。到那時，大多數水生生物都已死亡。
• 當釋放未經處理的汙水時，細菌首先生長，使水體缺氧並釋放藻類利用的磷酸鹽和硝酸鹽。這些藻類生長並使水體重新充滿氧氣，然後被吃掉。此時，水生生物可能會恢復。
• 未經處理的汙水還會將病原體釋放到沐浴和飲用水供應中，當使用這些水時，會造成人類和動物感染的風險。

概述酸雨的來源、形成及其對植物和動物的生物學後果。

• 酸雨的主要原因是大氣中存在硫氧化物和氮氧化物，它們與空氣中的水發生反應，形成硫酸和硝酸等酸。硫和氮氧化物來自化石燃料的燃燒和工業活動。
• 酸雨有助於將鋁離子從土壤釋放到水道中。鋁也具有酸性和毒性，對魚類有害。兩者都會降低湖泊的 pH 值並汙染淡水棲息地。它對魚類、兩棲動物和水生無脊椎動物的影響最大，因為它們的淡水湖泊和河流環境遭到破壞。
• 鈣、鎂和鉀離子從土壤中流失，導致土壤肥力和植物生長減少。

說明生物質可以用作甲烷和乙醇等燃料的來源。

• 像木材這樣的生物質已經被用作燃料燃燒。生物質也可以用作甲烷和乙醇等燃料的來源。

解釋從生物質產生甲烷所涉及的原理，包括所需的條件、參與的生物體以及發生的化學基本反應。

• 將任何有機垃圾，如食物殘渣，放入密封容器中。新增產甲烷菌，如甲烷桿菌和甲烷球菌。必須密封容器以確保厭氧條件。細菌將垃圾中的有機物質分解成有機酸和酒精。細菌將這些物質用作氫的來源。氫被用來將二氧化碳還原成甲烷。然後將甲烷燃燒作為能源。消化後的物質富含營養物質，可作為肥料。