生態学

Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

学習目標 8.1.A: 生物の行動的・生理的反応が、内部または外部環境の変化とどのように関連しているかを説明する。

• 8.1.A.1 生物は、行動的および生理的メカニズムを通じて環境の変化に応答する。
  • 除外事項: 特定の行動的または生理的メカニズムに関する知識はAP試験の範囲外である。
  • 8.1.A.1の例示:
    • 植物の光周期現象および光屈性
    • 動物の走性以及趋性（タクシスおよびキネシス）
    • 夜行性と昼行性の活動
• 8.1.A.2 生物は、内部の変化や外部の刺激に対して互いに情報を交換し、これが行動を変化させることがある。
  • 8.1.A.2の例示:
    • 闘争または逃走反応
    • 捕食者からの警告
    • 草食動物による摂食に対する植物の反応

Big Idea 3 — 情報の保存と伝達： 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

学習目標 8.1.B: 生物の行動的反応が、その総適応度にどのように影響し、個体群の成功に寄与しうるかを説明する。

• 8.1.B.1 生物は、視覚的、聴覚的、触覚的、電気的、および/または化学的信号などの多様なメカニズムを通じてコミュニケーションを行う。
  • i. 生物は、他の生物の行動に変化をもたらす多様な信号行動を持っており、結果として繁殖成功率の差を生むことがある。
  • ii. 動物は、優位性の表示、餌の探索、領土の確立、そして繁殖成功率の確保のために信号を使用する。
  • 除外事項: 特定のコミュニケーションメカニズムに関する知識はAP試験の範囲外である。
  • 8.1.B.1の例示:
    • 哺乳類の領土標示
    • 開花植物および動物の体色
    • 鳥のささり声
    • 動物の群れ行動
    • 捕食者への警告
• 8.1.B.2 情報への反応や情報の伝達は、自然選択と進化にとって不可欠である。
  • i. 適応度は、生存と繁殖の成功を高める先天的および学習された行動を好む。
  • ii. 協力的な行動は、個体の適応度と集団の生存率を高める傾向がある。
  • 除外事項: 多様なコミュニケーションやコミュニティ行動システムの詳細は、AP試験の範囲外である。
  • 8.1.B.2.iに関する例示:
    • 親と子孫の相互作用
    • 求愛と交尾の行動
    • ミツバチや他の動物による採食
  • 8.1.B.2.iiに関する例示:
    • 動物の群れ行動
    • 動物の群集、群飛、魚群行動
    • 捕食者からの警告
    • 昆虫のコロニー形成や群れ行動
    • 血縁選択

Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

学習目標 8.2.A: 生物がエネルギーを取得し利用するための戦略を説明する。

• 8.2.A.1 生物は、組織化、成長、繁殖、恒常性の維持にエネルギーを用いる。
  • i. 生物は体温と代謝を調節するために異なる戦略を用いる。温血動物は代謝によって生成される熱エネルギーを用いて恒常的な体温を維持する。冷血動物は体内で体温を効率的に維持する機構を持たないが、日光や陰影へ移動したり、他の個体と集団したりすることで、行動的に体温を調節することがある。
  • ii. エネルギーの正味増は、エネルギーの貯蔵、生物の成長、および繁殖産出量の増加につながる。
  • iii. エネルギーの正味減少は、質量の喪失、繁殖産出量の低下、そして最終的には生物の死につながる。
• 8.2.A.2 異なる生物は、エネルギーの利用可能性に応じて多様な繁殖戦略を用いる。一部の生物は、エネルギーの利用可能性に応じて無性生殖と有性生殖を交互に行う。
  • 8.2.Aに関する例示:
    • 動物と植物の季節的繁殖
    • 生活史戦略（二年生植物、生殖休止期）

学習目標 8.2.B: エネルギーの流れと物質の循環が栄養段階をどのように通るかを説明する。

• 8.2.B.1 生態学的な組織レベルには、個体群、群落、エコシステム、生物圏が含まれる。
• 8.2.B.2 エネルギーはエコシステム内を流れ、物質と養分は地球化学サイクルを通じて環境と生物の間を循環する。これらのサイクルは生命にとって不可欠であり、各サイクルは物質の保存則を示している。これらのサイクルは相互依存している。
• 8.2.B.3 地球化学サイクルには、非生物的・生物学的な蓄積庫、および蓄積庫間の物質循環プロセスが含まれる。
• 8.2.B.4 水循環（水文循環）には、水圏内における水の移動と貯留が含まれる。蓄積庫には海洋、地表水、大気、生物が含まれる。プロセスには蒸発、凝結、降水、蒸散がある。
• 8.2.B.5 炭素循環では、炭素原子が地球の生物圏内で炭水化物として生物に取り込まれ、二酸化炭素 $\left(\mathrm{CO_2}\right)$ として大気に戻されながら再循環する。最も高い組織レベルにおいて、炭素循環は4つの部分に単純化できる：光合成、細胞呼吸、分解、燃焼。
• 8.2.B.6 窒素循環には、窒素固定、同化、アンモニア化、硝化、脱窒のいくつかのステップが含まれる。これらのステップは土壌内の微生物によって行われる。窒素の最大の蓄積庫は大気である。窒素固定では、窒素ガス $\left(\mathrm{N_2}\right)$ がアンモニア $\left(\mathrm{NH_3}\right)$ に固定され、土壌溶液から水素イオンを取得することでアンモニウム $\left(\mathrm{NH_4^+}\right)$ にイオン化する。
• 8.2.B.7リン酸循環では、岩石の風化によって土壌や地下水にリン酸 $\left(\mathrm{PO_4^{3-}}\right)$ が放出される。生産者はリン酸を取り込み、それが生物分子に組み込まれる。消費者は生産者を食べ、リン酸を動物に移送する。リン酸は、生物量の分解や排泄によって土壌に戻る。また、分解された有機物からの分解を通じて、リン酸は環境に再び取り込まれることもある。

学習目標 8.2.C: エネルギー利用可能性の変化が個体群、群落、およびエコシステムに与える影響を説明する。

• 8.2.C.1 エネルギー利用可能性の変化は、個体群サイズの变化をもたらすことがある。
• 8.2.C.2 エネルギー利用可能性の変化は、エコシステムの攪乱をもたらすことがある。
  • i. 太陽光などのエネルギー資源の変化は、栄養段階の数と規模に影響を与える。栄養段階には、生産者、一次・二次・三次・四次消費者、分解者が含まれる。
  • ii. 特定の地理的領域における生産者の生物量や数の変化は、他の栄養段階の数と規模に影響を与える。

学習目標 8.2.D: 自営生物と異営生物の活動が、エコシステム内でのエネルギーの流れを可能にする方法を説明する。

• 8.2.D.1 自営生物は、環境中の物理的または化学的源からエネルギーを捕獲する。
  • i. 光合成生物は、光に含まれるエネルギーを捕獲し、一次生産性に寄与する。
  • ii. 化学合成生物は、環境中に存在する小さな無機分子からエネルギーを捕獲する。これは酸素がない状態でも起こり得る。
• 8.2.D.2 肉食動物、草食動物、雑食動物、分解者、腐食物質摂取生物を含む異営生物は、エネルギー源として炭水化物、脂質、タンパク質を代謝する。異営生物は、自営生物由来の有機物を摂取することで炭素化合物に含まれるエネルギーを捕獲し、物質を自身の組織に取り込む。

Big Idea 3 — 情報の保存と伝達： 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

学習目標 8.3.A: 個体群の成長動態に影響を与える要因を説明する。

• 8.3.A.1 個体群は、互いに相互作用し、環境とも複雑に相互作用する同じ種の個体で構成される。
• 8.3.A.2 生物の多くの適応は、特定の環境におけるエネルギーと物質の獲得および利用に関係している。
  • i. 個体群の成長動態は、出生率、死亡率、個体数によって決まる。
    • 式: 個体群の成長 — $\dfrac{dN}{dt} = B - D$ ここで $dt$ = 時間の経過量; $B$ = 出生率; $D$ = 死亡率; $N$ = 個体数; $dN$ = 個体数の変化量
  • ii. 制限のない繁殖により、個体群は指数関数的な成長を示す。
    • 式: 指数関数的成長 — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N$ ここで $dt$ = 時間の経過量; $N$ = 個体数; $dN$ = 個体数の変化量; $r_{max}$ = 個体群の最大一人あたり成長率

Big Idea 4 — システムの相互作用: 生物系は相互作用し、これらのシステムとその相互作用は複雑な性質を示す。

学習目標 8.4.A: 個体群の密度が環境中の資源の可用性によってどのように影響を受け、決定されるかを説明する。

• 8.4.A.1 環境収容力とは、生態系の総利用可能な資源によって持続的に支えられる種の豊度である。
• 8.4.A.2 密度依存的因子および密度非依存的因子による成長の限界が課されると、通常、ロジスティクス成長モデルが生じる。
  • 式: ロジスティクス成長 — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N \left( \dfrac{K - N}{K} \right)$ ここで $dt$ = 時間の経過量; $N$ = 個体数; $dN$ = 個体数の変化量; $r_{max}$ = 個体群の最大一人あたり成長率; $K$ = 環境収容力

Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

学習目標 8.5.A: 種の組成および多様性に基づいて、群落の構造を説明する。

• 8.5.A.1 群落の構造は、種の組成および種多様性の観点から測定され、記述される。
  • 式: Simpsonの多様性指数 — $\text{Diversity Index} = 1 - \sum \left( \dfrac{n}{N} \right)^2$ ここで $n$ = 特定の種の個体の総数; $N$ = 全種の個体の総数

学習目標 8.5.B: 個体群内および個体群間の相互作用が群落の構造にどのように影響するかを説明する。

• 8.5.B.1 群落は、異なる種の個体群の相互作用の集まりであり、それらの個体群間の相互作用に基づいて時間とともに変化する。
• 8.5.B.2 個体群間の相互作用は、それらが群落内でエネルギーと物質にアクセスする方法を決定する。
• 8.5.B.3 相互作用する個体群間の関係は、正の影響と負の影響によって特徴づけられ、モデル化できる。例として、捕食者/被捕食者の相互作用、協同、栄養カスケード、ニッチ分割がある。
• 8.5.B.4 競争、捕食、共生（寄生、相利、片利を含む）は、個体群の動態を駆動することがある。

Big Idea 4 — システムの相互作用: 生物系は相互作用し、これらのシステムとその相互作用は複雑な性質を示す。

学習目標 8.6.A: 生態系の多様性と環境変化に対する回復力との関係を説明する。

• 8.6.A.1 構成要素が少なく、構成要素間の多様性が低い自然および人工的な生態系は、環境の変化に対して回復力が低いことが多い。
• 8.6.A.2 キースピーシス、生産者、そして不可欠な非生物的要因および生物的要因は、生態系の多様性を維持するために寄与する。

学習目標 8.6.B: 生態系のどの構成要素を追加または除去しても、その全体としての短期間および長時間の構造にどのように影響するかを説明する。

• 8.6.B.1 キースピーシスが生態系に与える効果は、その生態系内の豊富さに対して不均衡に大きい。彼らが生態系から除去されると、生態系は崩壊することが多い。

Big Idea 1 — 進化: 進化のプロセスが生命の多様性と統一性を推進する。

学習目標 8.7.A: 環境と個体群内のランダムまたは既存の変異との相互作用を説明する。

• 8.7.A.1 適応とは、選択によって好まれ、特定の環境において生物に利益をもたらす形質として発現する遺伝的変異である。
• 8.7.A.2 複合優位とは、複合体型が単合体優性または単合体隐性のいずれよりも高い相対適性を持つことである。
• 8.7.A.3 変異は、特定の環境圧によって誘導されるものではない。

Big Idea 4 — システムの相互作用: 生物系は相互作用し、これらのシステムとその相互作用は複雑な性質を示す。

学習目標 8.7.B: 外来種が生態系の動態に与える影響を説明する。

• 8.7.B.1 外来種の意図的または無意識の導入により、その種は捕食者や競合者がいない新しいニッチを利用したり、在来種に対して資源を巡って競争に勝利したりすることが可能になる。
  • 8.7.B.1 の具体例:
    • クズ
    • ゼンマイガイ

学習目標 8.7.C: 生態系の構造および動態を変化させる人間活動について説明する。

• 8.7.C.1 人間の影響は、局所的および世界的レベルでの変化を加速する。これらの活動は、以下のinctionを引き起こすような生態系の変化を促進することがある：
  • i. 生物濃縮
  • ii. 富栄養化
  • 8.7.C.1 の具体例:
    • オランダエール病
    • ポテトブルート

学習目標 8.7.D: 地質学的および気象学的活動が生態系の構造および動態の変化をもたらす理由を説明する。

• 8.7.D.1 地質学的および気象学的事象は、生息地の変化および生態系の分布に影響を与える。生物地理学的研究はこれらの変化を示す。
  • 8.7.D.1 の具体例:
    • 地球規模の気候変動
    • 伐採
    • 都市化
    • 単一栽培
    • エル・ニーニョ現象
    • 大陸漂移説
    • 石衝突による恐竜の絶滅