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生态学

AP 生物 · 知识点 8

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7:53

生态学

这片珊瑚礁在一公顷面积内拥有的物种种类比整个省份的农田还要多。每一条鱼都依赖珊瑚,而珊瑚又依赖其内部的微小藻类。……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

8.1

对环境的响应

教学大纲

核心概念2 — 能量代谢: 生物系统利用能量和分子构建模块来生长、繁殖并维持动态的稳态。

学习目标 8.1.A: 解释生物体的行为与生理反应如何与内部或外部环境的变化相关联。

  • 8.1.A.1 生物体通过行为和生理机制对环境变化作出反应。
    • 排除说明: 关于具体行为或生理机制的知识超出AP考试范围。
    • 8.1.A.1 示例:
      • 植物的光周期现象和向光性
      • 动物的趋性(taxis)和异时性(kinesis)
      • 夜行性和昼行性活动
  • 8.1.A.2 生物体针对内部变化和外部线索进行信息交流,这可能会改变其行为。
    • 8.1.A.2 示例:
      • 战斗或逃跑反应
      • 捕食者警告
      • 植物对植食性的反应

核心概念3 — 信息的存储与传递: 生命系统存储、检索、传递并对生命过程所需的信息作出反应。

学习目标 8.1.B: 解释生物体的行为反应如何影响其整体适应度,并可能有助于种群的繁衍成功。

  • 8.1.B.1 生物体通过各种机制进行交流(视觉、听觉、触觉、电以及/或化学信号)。
    • i. 生物体具有多种信号行为,这些行为能引起其他生物行为的改变,并可能导致生殖成功率的不同。
    • ii. 动物使用信号来表示优势地位、寻找食物、确立领地以及确保生殖成功。
    • 排除说明: 关于具体交流机制的知识超出AP考试范围。
    • 8.1.B.1 示例:
      • 哺乳动物的领地标记
      • 开花植物和动物的体色
      • 鸟鸣
      • 动物的群居行为
      • 捕食者警告
  • 8.1.B.2 对信息的反应和信息交流对自然选择和进化至关重要。
    • i. 适应度倾向于那些能提高生存和生殖成功率的先天及后天学习行为。
    • ii. 合作行为往往能增加个体的适应度和种群的生存率。
    • 排除说明: 各种通信和社区行为系统的具体细节超出AP考试范围。
    • 8.1.B.2.i 示例:
      • 亲代与子代的互动
      • 求偶和交配行为
      • 蜜蜂及其他动物的觅食
    • 8.1.B.2.ii 示例:
      • 动物的群居行为
      • 动物的集群、群聚和鱼群行为
      • 捕食者警告
      • 昆虫的巢群和群飞行为
      • 亲缘选择

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Organisms sense and respond to their surroundings in ways that aid survival and reproduction. Behaviors may be innate (inherited, like reflexes and instincts) or learned. Responses such as migration, hibernation, and phototropism, and signals between organisms, are shaped by natural selection because they improve fitness.

Sunflowers face the light: organisms detect and respond to environmental stimuli
Sunflowers face the light: organisms detect and respond to environmental stimuli

The behaviours the CED lists by name

These are the illustrative behaviours an exam question builds its scenario from, so learn what each one is and what it buys the organism:

Behaviour What it is Why it aids fitness
taxis 趋性 movement directed towards or away from a stimulus reaches food, light or moisture, or escapes a hazard
kinesis 动性 a change in the rate of random movement, with no direction keeps the animal in favourable conditions by moving less there and more elsewhere
nocturnal and diurnal activity 夜行性与昼行性 being active at night, or by day avoids predators or heat, and matches activity to when food is available
territorial marking 领域标记 scent, sound or visual marks that claim an area secures food, nesting sites and mates without repeated fighting
coloration 体色 pigmentation in animals and flowering plants warning, camouflage, mate attraction — and in flowers, attracting pollinators
foraging 觅食 by bees and others searching for and collecting food efficient foraging returns more energy than it costs, which is what selection acts on

⚠️ Taxis and kinesis are the pair most often confused. Taxis has a direction: the woodlouse walks towards the damp. Kinesis has only a rate: the woodlouse moves quickly and turns often in dry air and slows down in damp air, so it ends up in the damp without ever steering there.

Life-history strategy 生活史策略 is the pattern of when an organism grows, reproduces and dies, and it too is shaped by selection: a biennial plant stores resources in its first year and flowers in its second; reproductive diapause pauses development until conditions improve, so offspring arrive when they can survive. Both trade the timing of reproduction against the chance that it succeeds.

探索

给响应分类

按照每个行为是哪种响应——植物的生长响应、动物的移动,还是快速的反射——给它们分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
taxis/ˈtæksiz/ 趋性 qū xìng
kinesis/kəˈniːsɪs/ 动性 dòng xìng
nocturnal and diurnal activity/nɒkˈtɜːnl ænd ˈdɪɜːnl ækˈtɪvɪti/ 夜行性与昼行性 yè xíng xìng yǔ zhòu xíng xìng
territorial marking/ˌterɪˈtɔːrɪəl ˈmɑːkɪŋ/ 领域标记 lǐng yù biāo jì
coloration/ˌkʌləˈreɪʃn/ 体色 tǐ sè
foraging/ˈfɒrɪdʒɪŋ/ 觅食 mì shí
Life-history strategy/laɪf ˈhɪstəri ˈstrætədʒi/ 生活史策略 shēng huó shǐ cè lüè
8.2

生态系统中的能量流动

教学大纲

核心概念 2 — 能量学: 生物系统利用能量和分子构建模块来生长、繁殖并维持动态稳态。

学习目标 8.2.A: 描述生物体获取和利用能量的策略。

  • 8.2.A.1 生物体利用能量进行组织化、生长、繁殖以及维持稳态。
    • i. 生物体采用不同的策略来调节体温和代谢。恒温动物利用代谢产生的热能来维持稳态的体温。变温动物缺乏维持体温的有效内部机制,但它们可以通过移动到阳光或阴凉处,或者与其他个体聚集在一起等行为方式来调节温度。
    • ii. 能量的净增加会导致能量储存、生物体生长以及生殖输出的增加。
    • iii. 能量的净减少会导致质量丧失、生殖输出下降,并最终导致生物体死亡。
  • 8.2.A.2 不同的生物体根据能量可用性的不同而采用各种生殖策略。一些生物体根据能量可用性在无性生殖和有性生殖之间交替。
    • 8.2.A 说明示例:
      • 动物和植物的季节性繁殖
      • 生活史策略(二年生植物、生殖滞育)

学习目标 8.2.B: 解释能量如何在营养级之间流动以及物质如何循环。

  • 8.2.B.1 生态组织层次包括种群、群落、生态系统和生物群系。
  • 8.2.B.2 能量在生态系统中流动,而物质和养分通过生物地球化学循环在环境和生物体之间循环。这些循环对生命至关重要,每个循环都体现了物质守恒定律。这些循环是相互依存的。
  • 8.2.B.3 生物地球化学循环包括非生物和生物储库,以及在不同储库之间循环物质的过程。
  • 8.2.B.4 水循环涉及水圈内的水分运动和储存。储库包括海洋、地表水、大气和生物体。过程包括蒸发、凝结、降水蒸腾作用。
  • 8.2.B.5 碳循环涉及将碳原子通过地球生物圈循环利用到生物体中形成碳水化合物,然后以二氧化碳 $\left(\mathrm{CO_2}\right)$ 的形式返回大气。在最高层级的组织中,碳循环可以简化为四个部分:光合作用、细胞呼吸、分解作用和燃烧。
  • 8.2.B.6 氮循环涉及多个步骤,包括固氮、同化、氨化、硝化和反硝化。这些步骤由土壤中的微生物完成。氮的最大储库是大气。在固氮过程中,氮气 $\left(\mathrm{N_2}\right)$ 被固定为氨 $\left(\mathrm{NH_3}\right)$,氨从土壤溶液中获取氢离子电离成铵 $\left(\mathrm{NH_4^+}\right)$。
  • 8.2.B.7 磷循环涉及岩石风化将磷酸盐 $\left(\mathrm{PO_4^{3-}}\right)$ 释放到土壤和地下水中。生产者吸收磷酸盐,并将其整合到生物分子中;消费者摄食生产者,从而将磷酸盐传递给动物。磷通过生物量的分解或排泄返回土壤。磷酸盐也可以通过腐烂有机物的分解重新进入环境。

学习目标 8.2.C: 解释能量可用性的变化如何影响种群、群落和生态系统。

  • 8.2.C.1 能量可用性的变化可能导致种群数量的变化。
  • 8.2.C.2 能量可用性的变化可能导致生态系统的破坏。
    • i. 能量资源(如阳光)的变化可能会影响营养级的数量和大小。营养级包括生产者;初级、次级、三级和四级消费者;以及分解者。
    • ii. 特定地理区域内生产者生物量或数量的变化可能会影响其他营养级的数量和大小。

学习目标 8.2.D: 解释自养生物和异养生物的活动如何使生态系统内的能量流动成为可能。

  • 8.2.D.1 自养生物捕获环境中物理或化学来源的能量。
    • i. 光合生物捕获太阳光中的能量,有助于初级生产力。
    • ii. 化能合成生物捕获环境中存在的小无机分子中的能量,这一过程可以在无氧条件下发生。
  • 8.2.D.2 异养生物(包括肉食动物、草食动物、杂食动物、分解者和食腐动物)将碳水化合物、脂质和蛋白质作为能量来源进行代谢。异养生物通过消耗源自自养生物的有机物来获取碳化合物中的能量,并将物质整合到自身的组织中。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Energy enters most ecosystems 生态系统 as sunlight, is captured by producers 生产者 (photosynthesizers), and passes to consumers 消费者 along a food chain 食物链. Each level is a trophic level 营养级. Only about 10% of energy transfers up each level (the rest is lost as heat), so food chains are short and producers are the most abundant. Energy flows through and is lost, while matter (carbon, nitrogen) cycles.

Only about 10% of the energy passes to the next trophic level
Only about 10% of the energy passes to the next trophic level

Worked example. Suppose producers capture $10{,}000\ \text{kcal}$. Applying the $10\%$ rule, primary consumers receive about $1{,}000\ \text{kcal}$, secondary consumers $100\ \text{kcal}$, and tertiary consumers only $10\ \text{kcal}$. Losing $90\%$ as heat at every step is exactly why food chains rarely exceed four or five levels – there is too little energy left to support another.

探索

食物链中的能量流动

只有约 10% 的能量传递到下一个营养级;其余以热量形式损失。这就是为什么食物链很短且顶级捕食者很少的原因。

词汇 训练
English 中文 拼音
ecosystems/ˈiːkəʊsɪstəmz/ 生态系统 shēng tài xì tǒng
producers/prəˈdjuːsəz/ 生产者 shēng chǎn zhě
consumers/kənˈsuːməz/ 消费者 xiāo fèi zhě
food chain/fuːd tʃeɪn/ 食物链 shí wù liàn
trophic level/ˈtrəʊfɪk ˈlevl/ 营养级 yíng yǎng jí
8.3

种群生态学

教学大纲

核心概念 3 — 信息的存储与传递: 生命系统能够存储、检索、传递并对维持生命过程至关重要的信息做出反应。

学习目标 8.3.A: 描述影响种群增长动态的因素。

  • 8.3.A.1 种群由同一物种的个体组成,这些个体之间以及它们与环境之间以复杂的方式相互作用。
  • 8.3.A.2 生物体的许多适应性特征都与在特定环境中获取和利用能量及物质有关。
    • i. 种群的增长动态取决于出生率、死亡率和种群大小。
      • 公式: 种群增长 — $\dfrac{dN}{dt} = B - D$ 其中 $dt$ = 时间变化量;$B$ = 出生率;$D$ = 死亡率;$N$ = 种群大小;$dN$ = 种群大小的变化量
    • ii. 不受限制繁殖会导致种群的指数增长。
      • 公式: 指数增长 — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N$ 其中 $dt$ = 时间变化量;$N$ = 种群大小;$dN$ = 种群大小的变化量;$r_{max}$ = 种群的最大内禀增长率

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A population 种群 is the individuals of one species in an area. Its growth depends on birth, death, immigration, and emigration. Exponential growth 指数增长 ($J$-shaped) happens with unlimited resources; logistic growth 逻辑斯蒂增长 ($S$-shaped) levels off at the carrying capacity 环境容纳量 $K$ – the maximum the environment can sustain – following $\dfrac{dN}{dt}=r_{\max}N\dfrac{K-N}{K}$.

Population growth: lag, exponential, then levelling off at the carrying capacity
Population growth: lag, exponential, then levelling off at the carrying capacity

Worked example. A population has $r_{\max}=0.5\ \text{yr}^{-1}$, carrying capacity $K=1000$, and current size $N=400$. Then $\dfrac{dN}{dt}=0.5\times400\times\dfrac{1000-400}{1000}=0.5\times400\times0.6=120$ individuals per year. The $\frac{K-N}{K}$ term is why growth is fastest near $N=K/2$ and slows toward zero as $N$ approaches $K$.

探索

将种群增长至环境容纳量

种群在较小时增长迅速,然后在接近环境容纳量 $K$ 时放缓——逻辑斯蒂增长。提高增长率并观察其趋于平稳。

词汇 训练
English 中文 拼音
population/ˌpɒpjʊˈleɪʃn/ 种群 zhǒng qún
Exponential growth/ˌekspəˈnenʃl ɡrəʊθ/ 指数增长 zhǐ shù zēng zhǎng
logistic growth/ləˈdʒɪstɪk ɡrəʊθ/ 逻辑斯蒂增长 luó jí sī dì zēng zhǎng
carrying capacity/ˈkæriɪŋ kəˈpæsɪti/ 环境容纳量 huán jìng róng nà liàng
8.4

密度对种群的影响

教学大纲

核心概念 4 — 系统相互作用: 生物系统之间会相互影响,这些系统及其相互作用表现出复杂的特性。

学习目标 8.4.A: 解释种群密度如何受环境中资源可用性的影响并决定于资源可用性。

  • 8.4.A.1 环境容纳量(Carrying capacity)是指生态系统总可用资源所能维持的物种可持续数量。
  • 8.4.A.2 当施加由密度制约因素和密度非制约因素导致的生长限制时,通常会出现逻辑斯谛增长模型。
    • 公式: 逻辑斯谛增长 — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N \left( \dfrac{K - N}{K} \right)$ 其中 $dt$ = 时间变化量;$N$ = 种群大小;$dN$ = 种群大小变化量;$r_{max}$ = 种群最大每 capita 增长率;$K$ = 环境容纳量

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Some factors depend on crowding, others do not:

  • Density-dependent 密度制约 factors intensify as a population grows – competition, predation, disease.
  • Density-independent 非密度制约 factors act regardless of density – weather, natural disasters.

These factors regulate population size around the carrying capacity.

A dense deer herd: density-dependent factors such as disease and food competition intensify as numbers rise
A dense deer herd: density-dependent factors such as disease and food competition intensify as numbers rise
探索

依赖密度还是不依赖?

按照每个限制因素的作用是否随着种群变拥挤而增强,给它们分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
Density-dependent/ˈdensɪti dɪˈpendənt/ 密度制约 mì dù zhì yuē
Density-independent/ˈdensɪti ˌɪndɪˈpendənt/ 非密度制约 fēi mì dù zhì yuē
8.5

群落生态学

教学大纲

核心概念2 — 能量学: 生物系统利用能量和分子构建块来生长、繁殖并维持动态稳态。

学习目标 8.5.A: 根据物种组成和多样性描述群落的结构。

  • 8.5.A.1 群落的结构通过物种组成和物种多样性进行测量和描述。
    • 公式: 辛普森多样性指数 — $\text{Diversity Index} = 1 - \sum \left( \dfrac{n}{N} \right)^2$ 其中 $n$ = 特定物种的个体总数;$N$ = 所有物种的个体总数

学习目标 8.5.B: 解释种群内及种群间的相互作用如何影响群落结构。

  • 8.5.B.1 群落是由不同物种的相互作用种群组成的群体,这些群体会根据种群间的相互作用随时间发生变化。
  • 8.5.B.2 种群间的相互作用决定了它们如何在群落中获取能量和物质。
  • 8.5.B.3 相互作用种群之间的关系可以通过正面和负面影响来表征,并且可以建模。例子包括捕食者/猎物相互作用、合作、营养级联和生态位分割。
  • 8.5.B.4 竞争、捕食和共生关系(包括寄生、互利共生和偏利共生)可以驱动种群动态。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Clownfish among sea-anemone tentacles — a textbook mutualism
Clownfish among sea-anemone tentacles — a textbook mutualism

A community 群落 is all the interacting populations in an area. Key interactions: competition 竞争 (for shared resources), predation 捕食, symbiosis 共生 – mutualism (both benefit), commensalism (one benefits, other unaffected), and parasitism (one benefits, other harmed). These relationships shape which species coexist.

A food web links several food chains together
A food web links several food chains together
探索

说出这个相互作用

按照物种之间关系的相互作用类型,给它们分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
community/kəˈmjuːnɪti/ 群落 qún luò
competition/ˌkɒmpəˈtɪʃn/ 竞争 jìng zhēng
predation/prɪˈdeɪʃn/ 捕食 bǔ shí
symbiosis/ˌsɪmbaɪˈəʊsɪs/ 共生 gòng shēng
8.6

生物多样性

教学大纲

核心概念4 — 系统相互作用: 生物系统之间存在相互作用,这些系统及其相互作用展现出复杂的特性。

学习目标 8.6.A: 描述生态系统多样性与其对环境变化的恢复力(韧性)之间的关系。

  • 8.6.A.1 组成成分较少、且各部分之间多样性较低的天然或人工生态系统,往往对环境变化的恢复力较弱。
  • 8.6.A.2 关键种、生产者以及重要的非生物和生物因素有助于维持生态系统的多样性。

学习目标 8.6.B: 解释生态系统中任何组成部分的增加或减少如何影响其整体的短期和长期结构。

  • 8.6.B.1 关键种对生态系统的影响相对于其在生态系统中的丰度而言是不成比例的。当它们从生态系统中被移除时,生态系统往往会崩溃。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Coral reef outcrop: high biodiversity in a productive marine ecosystem
Coral reef outcrop: high biodiversity in a productive marine ecosystem

Biodiversity 生物多样性 is the variety of life – genes, species, and ecosystems. Higher diversity generally makes a community more resilient 有韧性, better able to withstand and recover from disturbance. A keystone species 关键种 has an outsized effect, so losing it can collapse the community.

Biodiversity at three levels: genetic, species, and habitat
Biodiversity at three levels: genetic, species, and habitat
探索

高还是低生物多样性?

按照每个地方容纳多少生命的多样性——高还是低生物多样性——给它们分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
Biodiversity/ˌbaɪəʊdaɪˈvɜːsɪti/ 生物多样性 shēng wù duō yàng xìng
resilient/rɪˈsɪlɪənt/ 有韧性 yǒu rèn xìng
keystone species/ˈkiːstəʊn ˈspiːsiːz/ 关键种 guān jiàn zhǒng
8.7

生态系统的干扰

教学大纲

核心概念 1 — 进化: 进化过程驱动了生命的多样性和统一性。

学习目标 8.7.A: 解释环境与种群中随机或既有变异之间的相互作用。

  • 8.7.A.1 适应是一种受自然选择偏好的基因变异,表现为使生物体在特定环境中获得优势的性状。
  • 8.7.A.2 杂合子优势是指杂合基因型的相对适合度高于显性纯合基因型或隐性纯合基因型。
  • 8.7.A.3 突变并非由特定的环境压力所定向产生。

核心概念 4 — 系统相互作用: 生物系统之间相互关联,这些系统及其相互作用表现出复杂的特性。

学习目标 8.7.B: 解释入侵物种如何影响生态系统动态。

  • 8.7.B.1 有意或无意引入的入侵物种可能使其能够利用没有天敌或竞争者的新生态位,或者在与本地物种争夺资源时占据优势。
    • 8.7.B.1 示例:
      • 葛藤
      • 斑马贻贝

学习目标 8.7.C: 描述导致生态系统结构和动态变化的人类活动。

  • 8.7.C.1 人类影响加速了局部和全球层面的变化。这些活动可能导致生态系统发生诸如以下变化,从而引发灭绝:
    • i. 生物放大作用
    • ii. 富营养化
    • 8.7.C.1 示例:
      • 荷兰榆树病
      • 马铃薯晚疫病

学习目标 8.7.D: 解释地质和气象活动如何导致生态系统结构和动态的变化。

  • 8.7.D.1 地质和气象事件会影响栖息地变化和生态系统分布。生物地理学研究展示了这些变化。
    • 8.7.D.1 示例:
      • 全球气候变化
      • 砍伐森林
      • 城市化
      • 单一种植
      • 厄尔尼诺现象
      • 大陆漂移
      • 陨石撞击恐龙

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Deforested landscape — habitat loss is a major disruption to ecosystems
Deforested landscape — habitat loss is a major disruption to ecosystems

Ecosystems change from natural and human causes – climate shifts, invasive species, habitat loss, and pollution. A disturbance can trigger ecological succession 生态演替 (the community rebuilds over time). Because species are interconnected, a change to one – especially a keystone or a trophic level – can ripple through the whole ecosystem.

Deforestation lowers biodiversity and causes erosion, flooding, and higher CO2
Deforestation lowers biodiversity and causes erosion, flooding, and higher CO2

Common mistakes.

  • Saying energy is recycled in an ecosystem. Matter cycles; energy flows one way and leaves as heat.
  • Saying the 90% "lost" energy is destroyed. It is still energy, mostly released as heat in respiration, or left in parts that are not eaten or digested.
  • Placing the fastest logistic growth at the carrying capacity. Growth is fastest near $N=K/2$; at $N=K$ the term $\frac{K-N}{K}$ is zero, so $\frac{dN}{dt}=0$.
  • Calling a flood or a frost density-dependent because it kills many individuals. A factor is density-dependent only if its effect per individual grows as the population becomes more crowded.
  • Mixing up taxis and kinesis. Taxis is directed movement towards or away from a stimulus; kinesis changes only the rate of random movement.
  • Calling a keystone species "the most common species". A keystone species has an effect far larger than its numbers suggest; a sea star or a wolf can be rare and still hold the community together.
  • Calling every symbiosis mutualism. Symbiosis includes mutualism (+/+), commensalism (+/0) and parasitism (+/−).
探索

自然还是人为干扰?

按照每个干扰是自然事件还是由人类造成,给它们分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
ecological succession/ˌekəˈlɒdʒɪkl səkˈseʃn/ 生态演替 shēng tài yǎn tì
8.7

考试技巧

English
  • Apply the 10% rule: about 90% of energy is lost at each trophic level, so food chains are short.
  • Distinguish exponential ($J$) from logistic ($S$) growth; the latter levels off at the carrying capacity ($\frac{dN}{dt}=r_{\max}N\frac{K-N}{K}$).
  • Separate density-dependent (competition, disease, predation) from density-independent (weather) limiting factors.
  • Name community interactions (competition, predation, symbiosis) and the effect of a keystone species.
  • Explain how disturbing one species — especially a keystone or a whole trophic level — ripples through the ecosystem.

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