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生物世界：生物多样性

AP 环境科学 · 第 2 主题

训练
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7:58

The Living World: Biodiversity

A volcano pushes a new island up out of the sea. At first there is nothing on it — bare rock, no soil, no life at all. Fifty years later, it is green. So how…

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2.1

生物多样性导论
大纲
Enduring UnderstandingLearning ObjectiveEssential Knowledge

ERT-2
Ecosystems have structure and diversity that change over time.

ERT-2.A
Explain levels of biodiversity and their importance to ecosystems.

  • ERT-2.A.1 Biodiversity in an ecosystem includes genetic, species, and habitat diversity.
  • ERT-2.A.2 The more genetically diverse a population is, the better it can respond to environmental stressors. Additionally, a population bottleneck can lead to a loss of genetic diversity.
  • ERT-2.A.3 Ecosystems that have a larger number of species are more likely to recover from disruptions.
  • ERT-2.A.4 Loss of habitat leads to a loss of specialist species, followed by a loss of generalist species. It also leads to reduced numbers of species that have large territorial requirements.
  • ERT-2.A.5 Species richness refers to the number of different species found in an ecosystem.

来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明

生物多样性(biodiversity)是生命的多样性,在三个层次测量:

  • 遗传多样性(genetic diversity)——一个物种之内基因的多样性。更多遗传多样性意味着一个种群能更好地应对环境压力(environmental stressors);一个种群瓶颈(population bottleneck)(数量的一次急剧下降)扔掉那个多样性并使幸存者脆弱。
  • 物种多样性(species diversity)——物种的数量(物种丰富度(species richness))以及个体在它们之间分布得多均匀。
  • 栖息地多样性(habitat diversity)——一个区域里栖息地的多样性。

物种更丰富的生态系统更有韧性的(resilient):它们更容易从破坏中恢复,因为多样的物种能在条件变化时填补角色。栖息地丧失以一个可预测的顺序移除物种——特化(specialist)物种(狭窄的需要)先走,然后是更强健的广适性(generalist)物种,而需要大领地的物种随着它们的范围缩小而减少。

生物多样性有三个层次:遗传、物种和栖息地
生物多样性有三个层次:遗传、物种和栖息地
A coral reef: high biodiversity concentrates species and ecosystem services in a small area
A coral reef: high biodiversity concentrates species and ecosystem services in a small area
词汇表 训练
英文 中文 拼音
Biodiversity/ˌbaɪəʊdaɪˈvɜːsɪti/ 生物多样性 shēng wù duō yàng xìng
environmental stressors/enˌvaɪrənˈmentl ˈstresəz/ 环境压力 huán jìng yā lì
population bottleneck/ˌpɒpjʊˈleɪʃn ˈbɒtəlnek/ 种群瓶颈 zhǒng qún píng jǐng
species richness/ˈspiːsiːz ˈrɪtʃnəs/ 物种丰富度 wù zhǒng fēng fù dù
resilient/rɪˈsɪlɪənt/ 有韧性的 yǒu rèn xìng de
specialist/ˈspeʃəlɪst/ 特化 tè huà
generalist/ˈdʒenərəlɪst/ 广适性 guǎng shì xìng
Ecosystem services/ˈiːkəʊsɪstəm ˈsɜːvɪsɪz/ 生态系统服务 shēng tài xì tǒng fú wù
练习卷 双页
2.2

生态系统服务
大纲
Enduring UnderstandingLearning ObjectiveEssential Knowledge

ERT-2
Ecosystems have structure and diversity that change over time.

ERT-2.B
Describe ecosystem services.

  • ERT-2.B.1 There are four categories of ecosystem services: provisioning, regulating, cultural, and supporting.

ERT-2.C
Describe the results of human disruptions to ecosystem services.

  • ERT-2.C.1 Anthropogenic activities can disrupt ecosystem services, potentially resulting in economic and ecological consequences.

来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明

生态系统服务(ecosystem services)是自然给人们的免费好处,分四类:

  • 供给(provisioning)——产品:食物、淡水、木材、纤维。
  • 调节(regulating)——保持条件稳定的过程:气候调节、水过滤、授粉、洪水控制。
  • 文化(cultural)——非物质价值:娱乐、美、精神和教育价值。
  • 支持(supporting)——使其他成为可能的服务:营养循环、土壤形成、光合作用。

人为的(anthropogenic)(人造成的)活动能扰乱这些服务,带来真实的经济和生态成本——例如,失去授粉者迫使农民为蜜蜂曾经免费做的授粉付钱。

词汇表 训练
英文 中文 拼音
Anthropogenic/ˌænθrəpəˈdʒenɪk/ 人为的 rén wéi de
练习卷 双页
2.3

岛屿生物地理学
大纲
Enduring UnderstandingLearning ObjectiveEssential Knowledge

ERT-2
Ecosystems have structure and diversity that change over time.

ERT-2.D
Describe island biogeography.

  • ERT-2.D.1 Island biogeography is the study of the ecological relationships and distribution of organisms on islands, and of these organisms' community structures.
  • ERT-2.D.2 Islands have been colonized in the past by new species arriving from elsewhere.

ERT-2.E
Describe the role of island biogeography in evolution.

  • ERT-2.E.1 Many island species have evolved to be specialists versus generalists because of the limited resources, such as food and territory, on most islands. The long-term survival of specialists may be jeopardized if and when invasive species, typically generalists, are introduced and outcompete the specialists.

来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明

岛屿生物地理学

岛屿生物地理学(island biogeography)研究一个岛(或任何孤立的栖息地斑块)容纳多少物种。这个数字稳定在两个速率之间的一个平衡:

  • 新物种的迁入(immigration)——对更接近大陆的岛更高。
  • 常驻物种的灭绝(extinction)——在更大的岛上更低。

所以大的、近的岛容纳最多物种;小的、遥远的容纳最少。隔离也驱动进化:岛屿物种常常变成特化种因为资源有限,而许多是特有(endemic)的——别处找不到。这使它们脆弱。当一个入侵物种(invasive species)(通常是一个强健的广适性种)到达时,它能在竞争中胜过特化种,它们无处可去。

更大和更近的岛容纳更多物种,平衡迁入与灭绝
更大和更近的岛容纳更多物种,平衡迁入与灭绝
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英文 中文 拼音
Island biogeography/ˈaɪlənd ˌbaɪəʊdʒɪˈɒɡrəfi/ 岛屿生物地理学 dǎo yǔ shēng wù dì lǐ xué
endemic/enˈdemɪk/ 特有 tè yǒu
invasive species/ɪnˈveɪsɪv ˈspiːsiːz/ 入侵物种 rù qīn wù zhǒng
migration/maɪˈɡreɪʃn/ 迁徙 qiān xǐ
练习卷 双页
2.4

生态耐受性
大纲
Enduring UnderstandingLearning ObjectiveEssential Knowledge

ERT-2
Ecosystems have structure and diversity that change over time.

ERT-2.F
Describe ecological tolerance.

  • ERT-2.F.1 Ecological tolerance refers to the range of conditions, such as temperature, salinity, flow rate, and sunlight that an organism can endure before injury or death results.
  • ERT-2.F.2 Ecological tolerance can apply to individuals and to species.

来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明

每个物种有一个耐受范围(range of tolerance)——它能生存的条件(温度、盐度、pH、阳光)的跨度。中间附近是一个个体繁荣的最适范围(optimal range);朝向边缘是胁迫区(zones of stress),那里它们生存但难以生长或繁殖;超过极限它们死亡。生态耐受性(ecological tolerance)既适用于一个单一的个体也适用于一个整个物种,而它决定一个生物能住在哪里以及它如何应对变化。

在它的最适范围之内一个物种繁荣;朝向极限它受胁迫,然后不能生存
在它的最适范围之内一个物种繁荣;朝向极限它受胁迫,然后不能生存
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英文 中文 拼音
range of tolerance/reɪndʒ ɒv ˈtɒlərəns/ 耐受范围 nài shòu fàn wéi
optimal range/ˈɒptɪml reɪndʒ/ 最适范围 zuì shì fàn wéi
zones of stress/zəʊnz ɒv stres/ 胁迫区 xié pò qū
Ecological tolerance/ˌekəˈlɒdʒɪkl ˈtɒlərəns/ 生态耐受性 shēng tài nài shòu xìng
练习卷 双页
2.5

生态系统的自然干扰
大纲
Enduring UnderstandingLearning ObjectiveEssential Knowledge

ERT-2
Ecosystems have structure and diversity that change over time.

ERT-2.G
Explain how natural disruptions, both short- and long-term, impact an ecosystem.

  • ERT-2.G.1 Natural disruptions to ecosystems have environmental consequences that may, for a given occurrence, be as great as, or greater than, many human-made disruptions.
  • ERT-2.G.2 Earth system processes operate on a range of scales in terms of time. Processes can be periodic, episodic, or random.
  • ERT-2.G.3 Earth's climate has changed over geological time for many reasons.
  • ERT-2.G.4 Sea level has varied significantly as a result of changes in the amount of glacial ice on Earth over geological time.
  • ERT-2.G.5 Major environmental change or upheaval commonly results in large swathes of habitat changes.
  • ERT-2.G.6 Wildlife engages in both short- and long-term migration for a variety of reasons, including natural disruptions.

来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明

自然事件跨每个时间尺度扰乱生态系统,而一个单一的自然事件能匹敌或超过一个人造的。地球的过程有三种时机模式:

  • 周期性(periodic)——规则的循环(季节、潮汐)。
  • 偶发性(episodic)——偶尔的、不规则的事件(火、洪水、火山爆发)。
  • 随机(random)——没有模式(一次流星撞击)。

在地质时间里,地球的气候因许多原因转变过,而海平面随着冰川冰的量上升和下降过——每个变化重塑大片的栖息地。野生动物通过迁徙(migration)响应,移动短或长距离以跟随条件。

一堵火焰和浓烟组成的墙,在针叶林的树顶间飞速蔓延
一场穿过森林的树冠火。火是一种自然的偶发性干扰,许多物种都适应了它
词汇表 训练
英文 中文 拼音
Periodic/ˌpɪərɪˈɒdɪk/ 周期性 zhōu qī xìng
Episodic/ˌepɪˈsɒdɪk/ 偶发性 ǒu fā xìng
Random/ˈrændəm/ 随机 suí jī
练习卷 双页
2.6

适应
大纲
Enduring UnderstandingLearning ObjectiveEssential Knowledge

ERT-2
Ecosystems have structure and diversity that change over time.

ERT-2.H
Describe how organisms adapt to their environment.

  • ERT-2.H.1 Organisms adapt to their environment over time, both in short- and long-term scales, via incremental changes at the genetic level.
  • ERT-2.H.2 Environmental changes, either sudden or gradual, may threaten a species' survival, requiring individuals to alter behaviors, move, or perish.

来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明

一个适应(adaptation)是一个改善在一个环境里生存和繁殖的遗传性状。适应通过自然选择(natural selection)产生——渐进的遗传变化在世代间积累,不是在一个单一的一生之内。当环境变化时,个体必须改变它们的行为、移动,或死亡;若变化来得比一个种群能适应的更快,它减少。一个像火这样的周期性干扰常常是一个健康循环的一部分,而许多物种适应于它(一些松果只在一场火的热量下打开)。

词汇表 训练
英文 中文 拼音
adaptation/ˌædæpˈteɪʃn/ 适应 shì yìng
natural selection/ˈnætʃərəl sɪˈlekʃn/ 自然选择 zì rán xuǎn zé
练习卷 双页
2.7

生态演替
大纲
Enduring UnderstandingLearning ObjectiveEssential Knowledge

ERT-2
Ecosystems have structure and diversity that change over time.

ERT-2.I
Describe ecological succession.

  • ERT-2.I.1 There are two main types of ecological succession: primary and secondary succession.
  • ERT-2.I.2 A keystone species in an ecosystem is a species whose activities have a particularly significant role in determining community structure.
  • ERT-2.I.3 An indicator species is a plant or animal that, by its presence, abundance, scarcity, or chemical composition, demonstrates that some distinctive aspect of the character or quality of an ecosystem is present.

ERT-2.J
Describe the effect of ecological succession on ecosystems.

  • ERT-2.J.1 Pioneer members of an early successional species commonly move into unoccupied habitat and over time adapt to its particular conditions, which may result in the origin of new species.
  • ERT-2.J.2 Succession in a disturbed ecosystem will affect the total biomass, species richness, and net productivity over time.

来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明

生态演替

生态演替(ecological succession)是一个群落随时间逐渐的、有序的变化:

  • 初级演替(primary succession)在没有土壤的裸岩上开始——在一个冰川退却或熔岩冷却之后。像地衣(lichens)这样的先锋物种(pioneer species)最先到达并缓慢地建立土壤。它慢。
一块岩石表面覆盖着黄色、橙色和淡绿色的结壳状地衣斑块
地衣直接长在裸岩上。作为先锋物种,它们缓慢地把岩石分解,建立最初薄薄的土壤
  • 次级演替(secondary succession)跟随一个使土壤完好的干扰——在一场火或废弃的农业之后——所以它快得多。

演替趋向一个相对稳定的顶极群落(climax community)。两个特殊的角色以与它们数量不成比例的方式塑造一个群落:一个关键种(keystone species),它的活动把群落结构维系在一起(移除它群落就崩溃——海獭控制海胆),和一个指示物种(indicator species),它的存在或健康标志整个生态系统的状况(地衣在空气被污染的地方消失)。

初级演替从裸岩构建;次级演替从幸存的土壤重新生长
初级演替从裸岩构建;次级演替从幸存的土壤重新生长

Worked example. 一个池塘有 3 种鱼,个体数为 5、3、2($N=10$)。辛普森多样性指数 $=1-\sum\left(\tfrac{n}{N}\right)^2 = 1-\left[(0.5)^2+(0.3)^2+(0.2)^2\right] = 1-0.38 = 0.62$。接近 1 的值意味着高多样性;接近 0 意味着一个物种占主导。再加一个大小均等的第四物种会把指数推得更高。

词汇表 训练
英文 中文 拼音
Ecological succession/ˌekəˈlɒdʒɪkl səkˈseʃn/ 生态演替 shēng tài yǎn tì
Primary succession/ˈpraɪməri səkˈseʃn/ 初级演替 chū jí yǎn tì
Pioneer species/paɪəˈnɪə ˈspiːsiːz/ 先锋物种 xiān fēng wù zhǒng
lichens/ˈlaɪkənz/ 地衣 dì yī
Secondary succession/ˈsekəndəri səkˈseʃn/ 次级演替 cì jí yǎn tì
climax community/ˈklaɪmæks kəˈmjuːnɪti/ 顶极群落 dǐng jí qún luò
keystone species/ˈkiːstəʊn ˈspiːsiːz/ 关键种 guān jiàn zhǒng
indicator species/ˈɪndɪkeɪtə ˈspiːsiːz/ 指示物种 zhǐ shì wù zhǒng
练习卷 双页
2.7

考试技巧
  • 在三个层次描述生物多样性:遗传、物种和栖息地,并把更高的多样性与更大的韧性联系起来。
  • 当一个栖息地变化时,特化物种(狭窄的需要)比广适性种更脆弱。
  • 把初级演替(裸岩、无土壤、慢)与次级(土壤完好、更快)区分开。
  • 解释一个关键种(超大的影响)和一个指示物种(标志生态系统健康)。
  • 命名四个生态系统服务(供给、调节、文化、支持)并带例子。

本主题的互动课程

逐步学习,并即时检测练习。

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