IB生物/选修G - 生态学与保护

返回 IB生物 原本来自 [1] 并由Robert Wiblin编辑。

物种生态学

生态学是研究生物与其环境之间相互关系的科学，包括非生物和生物因素，重点关注它们之间的种间和种内关系。

概述影响植物物种分布的因素，包括温度、水、光照、土壤pH值、盐度和矿物质养分。

• 高温使酶变性并抑制植物生长；蒸腾作用（水分散失）速率也增加。低温降低酶活性，冰点温度使酶失活。大多数植物生活在中等温度区域。
• 水是酶活性、运输、光合作用、支撑和许多其他事物的必需品。沙漠和极地地区的植物多样性较低。
• 光照对光合作用和开花很重要。黑暗区域的植物数量很少。
• 土壤pH值对养分的吸收很重要。如果土壤呈酸性，则可能发生荒漠化；使用石灰石可以中和土壤。
• 盐度会影响通过渗透作用的吸收。高盐度会导致植物通过渗透作用损失水分。盐生植物生活在高盐度环境中。
• 矿物质养分是许多重要功能所必需的。氮用于制造蛋白质、酶、核苷酸、维生素和其他化合物。磷用于形成磷脂和其他结构。

解释影响动物物种分布的因素，包括温度、水、繁殖地、食物供应和领地。

• 温度会影响动物的集中度。只有特别适应的生物才能生活在极端温度下。
• 水是维持生命功能所必需的，因此只有能够节水的动物才能在沙漠中生存。
• 繁殖地是幼体生长和保护所必需的。有些动物需要特定的区域进行繁殖。地形多样的地区动物多样性较高。
• 食物供应对于动物的生存至关重要，因为动物是异养生物。热带雨林中动物多样性再次较高。
• 有些动物具有领地意识，需要大片区域觅食、交配和保护幼体。有些动物在繁殖季节具有领地意识，并占据区域以阻止其他动物靠近。在有足够空间占据领地并抵御其他同类的地方，动物分布较多。

使用计算出的t值和相应的表格，推断两组数据之间差异的意义。

• t检验可用于衡量两个总体均值之间是否存在显著差异。例如，如果您测量两个岛上兔子的重量，t检验公式将根据均值之间的差异及其之间的变异程度来计算是否存在显著差异。临界t值表用于确定差异仅仅是随机机会的概率。

解释生态位概念的含义，包括生物的空间栖息地、摄食活动及其与其他生物的相互作用。

• 生态位是特定物种的所有特征，包括生物和非生物因素。它包括栖息地、营养和关系。例如，物种睡觉、生活、繁殖的地方、其食物来源以及与其他物种的关系。

解释竞争排斥原理。

• 竞争排斥原理首先由洛特卡和沃尔泰拉提出，当两个物种需要相同的资源时就会发生，因此它们会竞争直到一个物种被淘汰。在任何两个物种非常相似且争夺相同食物来源或繁殖地的环境中，其中一个物种在控制资源或快速繁殖方面会略有优势。另一个物种会被淘汰。俄罗斯生态学家G.F. 高斯在实验室中进行的细菌种群实验表明，这一概念在实践中是准确的。这一原理被称为竞争排斥原理。

• 没有两个物种可以生活在同一个生态位中，因为它们会争夺土地资源，并且只有一个物种能够生存。

群落生态学

解释物种之间以下相互作用，并各举两例：竞争、食草、捕食、寄生和互利共生。

• 竞争是指两个物种需要相同资源，例如繁殖地或食物。通常，其中一个物种会胜过另一个物种。道格拉斯冷杉和西铁杉是美国竞争的树种。
• 食草是动物和植物之间的关系。不同的动物以不同的植物为食。鹿以树叶为食，兔子以草为食，长颈鹿以树木为食。
• 捕食是捕食者（通常较大）和猎物（通常较小）之间的关系。例如狐狸和兔子，或者鲯鳅捕食凤尾鱼。
• 寄生是宿主和寄生虫之间的关系。寄生虫会对宿主造成伤害以获取食物和其他资源。寄生虫的例子包括人类体内的疟原虫和绦虫。
• 互利共生是指两个不同物种的成员相互受益，且都不受损害。例如，瘤胃细菌/原生动物在奶牛的消化系统中消化纤维素，为奶牛提供能量来源，为细菌提供稳定的栖息地。地衣和绿藻/小球藻（一种藻类）也表现出这种关系。地衣提供附着在表面的手段，藻类进行光合作用以产生糖类和营养物质。

定义总生产量、净生产量和生物量。

• 总生产量是指生态系统中一个营养级在单位面积单位时间内产生的有机物质总量。
• 生态系统的净生产量是指总生产量减去植物呼吸消耗的物质。
• 这两者都以千焦每平方米每年为单位测量。
• 生物量是指生态系统中生物体有机物质的干重。

根据给定数据计算总生产量和生物量。

• 总生产量 - 呼吸量 = 净生产量

讨论将生物分类为营养级的困难。

• 这很难，因为有些生物可以同时是次级消费者、三级消费者，甚至可能是四级消费者，例如人类。很难将它们放在食物金字塔的特定级别上。
• 出于这个原因，开发了一种替代的分类方法——食物网。食物网显示的关系不是简单的等级结构，而是一个复杂的网络，各种物种之间的摄食关系作为连接存在，动物本身作为中心存在。

解释较高营养级生物量小和数量少的原因。

• 较高营养级的生物量减少是因为能量以热量（呼吸）、废物和死亡物质的形式在各级之间损失。大约10-20%的能量传递到下一个营养级。

根据适当的信息构建能量金字塔。

• 能量金字塔的最底层代表总初级生产力，下一层代表初级消费者摄入的食物中的能量，依此类推。箭头表示能量流的方向。单位为单位面积单位时间的能量。

描述生态演替，并举一个例子。

• 生态演替是指生态系统中群落组成随时间推移而逐渐发生变化的过程。如果演替发生在无生命区域，则称为初生演替。它可以在火山、火灾或洪水等事件之后开始。
• 这个过程通常是这样的：地衣、苔藓、蕨类、开花植物、针叶树。
• 例如，在智利南部奥索尔诺火山火山灰覆盖地面后：苔藓在火山灰上蔓延。小型草本植物和蕨类植物出现，并通过其根部的活动开始形成土壤。灌木和灌木生长并取代它们。然后开花树木生长，然后是针叶树和其他更大的树木形成森林。

解释生物体对非生物环境的影响，并参考生态演替到顶极群落期间发生的变化。

• 生物体可以帮助土壤发育，当植物生长时，它们的根系向下生长并把岩石分解成小颗粒，帮助土壤形成。植物死亡和分解时会用矿物质丰富土壤。植物根系将土壤颗粒结合在一起，防止土壤侵蚀并保留养分。许多植物叶片蒸发的水以雨的形式凝结并降落。土壤中有机物质的存在以及根和根毛的存在有助于保持水分并减缓排水。

生物多样性和保护

以热带雨林为例，讨论保护生物多样性的原因。原因应包括伦理、生态、经济和美学论点。

• 热带雨林的生物多样性最高。
• 保护生物多样性的伦理原因是，所有物种都有权在这个星球上生存。许多人与生物世界有着文化联系。未来的世世代代的人们有权像我们今天一样享受一个健康的星球。
• 生态原因是，物种之间存在着巨大的相互作用和依赖关系。如果一个物种灭绝，食物链就会被打断，从而扰乱所有其他物种。物种适应特定的条件，而其他物种可能需要很长时间才能适应自身环境。它们有助于大幅降低二氧化碳水平。
• 美学原因是，热带雨林是地球上最美丽的景点之一。热带雨林的各个地方都充满了多样性。许多艺术家都受到周围生命多样性的启发。
• 经济原因包括热带雨林是人类生活中重要材料的来源。它们调节天气、循环养分和净化水。可以从雨林中的各种植物中提取药用物质，可能会发现新的作物，生态旅游为这些森林所在的许多贫困国家提供了新的资金来源。

概述导致一种已命名动物和一种已命名植物物种灭绝的因素。

• 亚利桑那美洲豹由于其皮毛需求增加而灭绝。随着人类在美洲豹栖息地的人口增加，狩猎和射击也随之增加，最后一只这种稀有动物于 1905 年在新墨西哥州被射杀。
• 毛茸茸的千里光是一种草本植物，具有黄色花簇。它由于农业、建筑、道路建设和其他各种人类活动对美国西南部造成的影响而灭绝。

概述辛普森多样性指数的用途。

• 辛普森多样性指数是衡量物种多样性的指标。
• D = (N(N-1))/(n(n-1)的总和)。D 是多样性指数，N 是发现的所有物种的生物体的总数，n 是特定物种的个体数量。
• 较高的 D 值表明生态系统稳定且古老，而较低的 D 值可能表明污染、近期演替或农业管理。
• 该指数通过计算某个区域随机选择的区域中的生物体来确定。随着时间的推移进行监测，可以显示生态系统的变化。

解释生物指标和指示物种在监测环境变化中的作用。

• 指示物种对环境变化高度敏感，其种群数量会根据环境变化而显着增加或减少。它们是变化的良好指标。青蛙种群极易受到污染和其他形式变化的影响，而污泥虫是水体中低氧浓度的良好指标。
• 生物指标是通过计算一段时间内耐受物种和不耐受物种的数量来计算的。可以随时直接监测指示物种种群中这些生物体的数量，因此易于跟踪。

概述过度捕捞鱼类对海洋生态系统造成的损害。

• 如果鱼类种群被过度捕捞，成年鱼类的数量降至临界水平以下，就会导致产卵失败，从而导致鱼类种群崩溃并摧毁渔业。
• 1973 年，秘鲁的凤尾鱼渔民就发生了这种情况，当时渔获量骤降至零。

讨论促进鱼类保护的国际措施。

• 国际措施是必要的，因为许多鱼类在多个国家的海洋中游动。由于过度捕捞，过去 50 年来海洋中的鱼类资源数量大幅下降。任何规则的执行都非常困难。
• 可以采取的国际措施包括监测鱼类资源和繁殖率、对资源量低的物种的捕捞配额、禁止捕捞濒危物种、最低网眼尺寸（以避免捕捞未成熟的鱼类）以及禁止使用捕捞各种鱼类的流网。
• ICES 是一个国际机构的例子，它为捕鱼设定限制并提供建议。

讨论就地保护濒危物种（陆地和水生自然保护区）的优势。

• 这些是动物在其自然栖息地中被发现的地方，人类及其活动不得干扰这些地方。
• 这使动物远离危险区域，并使它们能够在其自身环境中自然地生活和繁殖。大多数动物通常在使用就地保护的情况下存活率更高，并且保护其栖息地也允许其他物种在那里生存，从而保护其他动物和生物多样性。还可以确保更大的遗传多样性。
• 但是，有时数量会下降到如此低的水平，以至于动物无法在野外不受保护地生存，或者栖息地正在遭到破坏，并且这种情况不会停止。

概述自然保护区的管理。

• 自然保护区通过控制外来物种来维持。那些原本不应该在该区域的物种会被移除。
• 它们通过重新造林和物种再引入等方法恢复人类活动破坏生态系统的退化区域。
• 例如，它们通过喂养来促进受威胁物种的恢复。
• 它们还控制人类的开发利用。伐木受到控制，土地清理也受到控制。如果树木被砍伐，就会种植更多的树木。

概述异地保护措施的应用，包括动物圈养繁殖、植物园和种子库。

• 对于圈养繁殖，饲养在动物园或公园中的动物可以繁殖，以便让它们有机会增加数量，并有可能最终将一些后代重新引入野外。不幸的是，许多动物不繁殖。例如，大象。
• 植物园是许多植物物种在受控环境中种植以维持其物种的地方。邱园拥有 50,000 个物种的庞大收藏。
• 种子库是将种子保存在寒冷干燥的环境中，因为它们可以保持良好的状态长达数百年。

讨论国际机构和保护措施（包括 CITES 和 WWF）的作用。

• CITES 是一项旨在控制和规范濒危野生动植物及其产品跨境贸易，从而减少偷猎的协议。例如，通过将其列入该协议，大象偷猎有所减少。
• WWF 是一家独立组织，试图通过政治游说和监测项目来拯救生物多样性和野生动物。他们试图通过购买土地并将其建立为自然保护区来防止某些地区被砍伐。

高级课程 氮循环

说明生物体中发生的所有化学元素都是生物地球化学循环的一部分，这些循环涉及水、陆地和大气。

解释所有生物地球化学循环都总结了元素通过生态系统（食物链）的生物成分的运动，以形成复杂的生物有机分子，随后形成更简单的无机形式，这些形式可以再次被利用。

• 生物体中发生的所有化学元素都是生物地球化学循环的一部分，这些循环涉及水、陆地和大气。
• 简单的无机形式被吸收并转化为复杂的生物有机形式，但随后再次分解成简单的形式并释放到环境中以供重新吸收。

解释化能自养生物可以将无机物质氧化作为直接能量来源来合成 ATP。

说明化能自养仅存在于细菌中。

• 只有细菌可以通过化能自养制造食物。它们利用硝酸盐、氨和硫等无机物质进行反应。这些物质的氧化会产生能量。然后，该能量用于将二氧化碳固定成葡萄糖，就像在卡尔文循环中一样。

**绘制氮循环图。**请参见氮循环

• 通过固氮作用，气态氮转化为植物和细菌的生物硝酸盐。其他细菌也会将氮释放回空气中。当植物和动物死亡时，蛋白质会被分解——脱氨作用发生，形成氨，发生氧化产生亚硝酸盐，发生更多氧化产生硝酸盐，然后它可以通过另一株植物再次遵循这条路径，或者继续通过土壤中的细菌。氨也通过闪电和哈伯法（生产肥料）由氮气形成。
• 氮循环并非生态系统中唯一一个反复将复杂分子还原为简单分子，并将简单分子还原为复杂分子的循环。绝大多数其他有机物质（如钾）也以这种方式循环利用，从而使生态系统能够在没有持续涌入新生物或营养物质的情况下生存。

概述根瘤菌、固氮菌、亚硝化单胞菌、硝化细菌和反硝化假单胞菌在氮循环中的作用。

• 根瘤菌和固氮菌是能够将氮气转化为硝酸盐的固氮细菌。亚硝化单胞菌将氨氧化成亚硝酸盐。硝化细菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。假单胞菌是一种反硝化细菌，它能将硝酸盐转化为空气中的游离氮。前四种细菌利用土壤中无机氮化合物并将其转化为植物可利用的物质，而最后一种则将其返回到大气中，远离植物。

描述有利于反硝化作用和硝化作用的条件。

• 反硝化细菌是一种有害的细菌。它们将硝酸盐转化为游离氮气。这会降低土壤肥力和植物生长。这类细菌通常只存在于积水土壤中。积水会导致土壤通气不良和缺氧。

• 硝化作用发生在耕作过的土壤中，因为氧气进入土壤，使土壤不利于反硝化细菌生长。

讨论农民/园丁为提高土壤氮肥力采取的措施，包括使用化肥、耕作/挖掘和轮作（豆科植物的使用）。

• 农民耕作土壤以在土壤颗粒之间形成空气空间。氧气使土壤环境不利于反硝化细菌生长，并促进固氮细菌的生长。
• 化肥是另一种确保土壤中氮含量合适的选项：它们由无机氮加工而成，为植物提供大量的氮化合物。但是，它们容易迅速从土壤中流失，并且常常会危害周围环境。
• 最后一种方法是轮作，即在农民想要种植的作物和某种豆科作物之间轮换种植。豆科植物与固氮细菌形成共生关系，使这些细菌能够从无机氮或大气氮中产生自己的硝酸盐来源。在有利条件下，这些植物可以产生足够的过量氮，从而更新土壤中可供来年植物使用的硝酸盐储量。第二年，在以前种植豆科植物的地块上种植非豆科作物。

AHL人类对生态系统的影响

描述大气臭氧在吸收紫外线 (UV) 辐射中的作用。

• 臭氧存在于高层大气中，由氧气形成。它吸收来自太阳的紫外线，分解并将紫外线能量转化为热能。这导致紫外线能量转化为热能。臭氧层不断地形成和破坏，保护地球免受大部分有害的紫外线辐射。

概述紫外线辐射对活组织和生物生产力的影响。

• 紫外线辐射可以杀死浮游植物，浮游植物是海洋生物，占生物圈中发生的大部分净光合作用的很大一部分。这会影响整个海洋食物网。
• 辐射通过减缓光合作用速率来抑制陆地植物的生长，这通常是由于辐射损伤和随后植物叶片突变的结果。高水平的紫外线还可以杀死豆科植物根瘤中固氮的共生细菌。
• 紫外线照射量的增加会增加动物皮肤癌、晒伤和白内障的发病率。

概述氯对臭氧层的化学影响。

• 氯（由紫外线从 CFC 分子中分解出来）与臭氧发生反应并分解成氧气。一个氯原子可以分解数千个臭氧分子。这导致臭氧层消耗和紫外线穿过臭氧空洞。

讨论减少消耗臭氧物质的生产和释放的方法，包括回收制冷剂、减少发泡塑料的生产和使用不含 CFC 的推进剂。

• 1987 年，在研究表明 CFC 正在消耗臭氧层之后，制定了蒙特利尔议定书，该议定书设定了用不消耗臭氧的物质取代 CFC 的最后期限。
• 消耗臭氧物质的两大来源之一是回收制冷剂、发泡塑料的生产以及使用 (CFC) 作为喷雾罐、发胶等推进剂。这些化学物质已被大量淘汰，现在大多数公司都回收使用的制冷剂，而不是生产全新的制冷剂。
• 氮氧化物也会消耗臭氧层，可以通过减少化石燃料的使用、减少污染的内燃机和更清洁的飞机发动机来减少氮氧化物的排放。
• 由于采取了这些措施，臭氧水平应该在 2010 年左右开始恢复正常，并在 2050 年恢复正常。

概述将未经处理的污水和硝酸盐肥料排放到河流中的后果。

• 被硝酸盐肥料污染的水将变得富含营养物质。藻类吸收大量的硝酸盐，导致这些藻类的快速生长和繁殖，因此生态系统中藻类数量过多（藻华）。这阻挡了阳光到达更深层次的光合植物，并阻挡了大气中二氧化碳和氧气的进入。藻类超过其承载能力，营养物质耗尽，它们开始迅速死亡，从而促进消化它们的细菌的生长并增加生化需氧量。它们消耗大量的氧气，导致水体缺氧，需氧生物死亡。最后，厌氧细菌开始繁殖，产生有毒的氢化物，如 H₂S。到那时，大多数水生生物都已死亡。
• 当释放未经处理的污水时，细菌首先生长，使水体缺氧并释放藻类利用的磷酸盐和硝酸盐。这些藻类生长并使水体重新充满氧气，然后被吃掉。此时，水生生物可能会恢复。
• 未经处理的污水还会将病原体释放到沐浴和饮用水供应中，当使用这些水时，会造成人类和动物感染的风险。

概述酸雨的来源、形成及其对植物和动物的生物学后果。

• 酸雨的主要原因是大气中存在硫氧化物和氮氧化物，它们与空气中的水发生反应，形成硫酸和硝酸等酸。硫和氮氧化物来自化石燃料的燃烧和工业活动。
• 酸雨有助于将铝离子从土壤释放到水道中。铝也具有酸性和毒性，对鱼类有害。两者都会降低湖泊的 pH 值并污染淡水栖息地。它对鱼类、两栖动物和水生无脊椎动物的影响最大，因为它们的淡水湖泊和河流环境遭到破坏。
• 钙、镁和钾离子从土壤中流失，导致土壤肥力和植物生长减少。

说明生物质可以用作甲烷和乙醇等燃料的来源。

• 像木材这样的生物质已经被用作燃料燃烧。生物质也可以用作甲烷和乙醇等燃料的来源。

解释从生物质产生甲烷所涉及的原理，包括所需的条件、参与的生物体以及发生的化学基本反应。

• 将任何有机垃圾，如食物残渣，放入密封容器中。添加产甲烷菌，如甲烷杆菌和甲烷球菌。必须密封容器以确保厌氧条件。细菌将垃圾中的有机物质分解成有机酸和酒精。细菌将这些物质用作氢的来源。氢被用来将二氧化碳还原成甲烷。然后将甲烷燃烧作为能源。消化后的物质富含营养物质，可作为肥料。