IB生物生態學到底要學什麽？（上）

第一次接觸到生態學這個(ge) 詞的時候，相信你或多或少都有產(chan) 生過“生態學是什麽(me) ？”的想法。

機智的你肯定已經看到了生態學中的“生態”二字！

但生態學所研究的並不是“動物們(men) 的生活空間”這一抽象概念，而是有著具體(ti) 定義(yi) 的生物群體(ti) 與(yu) 其周圍環境之間的關(guan) 係。

今天將帶大家一起複習(xi) IB生物的第四章---- 生態學！

雖然內(nei) 容相比其他幾章可能會(hui) 更容易理解，但是有許多需要記住的知識點哦。

目 錄

1Terminology

2Modes of nutrition

• 2.1 Autotrophic

• 2.2 Heterotrophic

• 2.3 Mixotrophic

3Nutrient cycle

4Quadrat sampling & Chi-squared test

Terminology

先來看看我們(men) 需要理解的一些專(zhuan) 用名詞！（IB要求我們(men) 要能夠寫(xie) 出其定義(yi) 哦）：

• Species(物種) —— Agroup of organisms that can potentially interbreed to produce fertileoffspring.

生物體(ti) 能夠被稱為(wei) 物種的條件是能夠交配並產(chan) 生可育後代的生物體(ti) 。

在自然界中不僅(jin) 相同物種之間會(hui) 繁殖，兩(liang) 個(ge) 不同的物種也可以進行繁殖。兩(liang) 個(ge) 不同物種在一起繁殖所生下來的後代被稱為(wei) hybrid，比如馬和驢會(hui) 生出來騾子。那騾子算不算是species呢？

如果根據以上的定義(yi) 的話，因為(wei) 自身染色體(ti) 不對稱的問題導致它們(men) 沒有繁育後代的能力，所以嚴(yan) 格意義(yi) 上來說騾子不算species。

• Populations(種群) —— A group of organisms of thesame species who live in the same area at the same time.

種群指的是同一時間生活在同一地區的同一物種的生物體(ti) 。這並不代表生活在兩(liang) 個(ge) 不同地區的種群不能是同一物種。這就和我們(men) 一樣，不管你是住在哪個(ge) 省份哪個(ge) 國家，都是人類呀！

• Community(群落) —— Populations of different speciesliving and interacting with each other.

就像一隻豹子如果不捕食的話就會(hui) 餓死一樣，物種的長期生存都會(hui) 依賴於(yu) 與(yu) 其他物種之間的關(guan) 係，一個(ge) 物種的種群無法獨立地生活。當不同物種的種群生活在一起互相影響著對方時，群落就產(chan) 生了。珊瑚礁就是一種群落。因為(wei) 小醜(chou) 魚會(hui) 利用珊瑚來躲避捕食者，所以它們(men) 之間的關(guan) 係還被稱為(wei) symbiosesis（共生）。

一個(ge) 群落內(nei) 的捕食關(guan) 係可以通過food web來表現出來（以後會(hui) 具體(ti) 講！）。

Ecosystem —— The interactions between a community and abiotic environment.

如果說community是單指生物群體(ti) 的話，那ecosystem就是community+ habitat，也就是物種所居住的環境。就像剛才提到的一樣，一個(ge) 物種的種群無法獨立地生活。這其中也包括abiotic environment（非生物環境），由非生命物質所組成的環境，比如說石頭和水。

Community 和abiotic environment是會(hui) 互相影響對方的！如果懸崖上的岩石太窄的話，一隻鳥很有可能會(hui) 選其他的地方來築巢下蛋。如果一個(ge) 地方有很多樹的話，就能有效防止水土流失，保留住所需要的養(yang) 分。

總而言之，生態學所研究的是就是以上專(zhuan) 用名詞之間的關(guan) 係，可以參考一下下麵這個(ge) 表哦：

（Source:Google）

Modes of nutrition

讓我們(men) 再回到物種的話題上！所有物種的生長都離不開大口幹飯，不管是吃別人的還是吃自己的，都會(hui) 有一個(ge) 攝入營養(yang) 的來源。

具體(ti) 一點的話，所有物種都離不開organic nutrients。讓我們(men) 回想一下，一些最基礎的 molecules 比如蛋白質和糖都是由glucose和amino acid所組成的。

物種的營養(yang) 來源主要可以被區分為(wei) autotrophic和heterotrophic。

01Autotrophic

能夠將在周圍abiotic environment中的無機化合物轉變為(wei) 有機化合物為(wei) 營養(yang) 進行生長和繁殖。像這樣能自產(chan) 自銷的物種被稱為(wei) autotrophs（自養(yang) 生物）。

大部分植物和藻類都是autotrophs，它們(men) 能夠通過光合作用將light energy轉化為(wei) chemical energy。我們(men) 都知道植物要進行光合作用的話不能沒 chlorophyll（葉綠素），但實際上不是所有的植物都有chlorophyll。

那沒有 chlorophyll 的植物要怎樣獲取營養(yang) 呢？這些植物會(hui) 通過寄生（parasitic）的方式，長在其他植物上並吸取他們(men) 的養(yang) 分用於(yu) 自身生長。也正是因為(wei) 寄生植物在所有植物中占比很小（隻有1%左右），所以科學家們(men) 還是把植物整體(ti) 劃分為(wei) 了autotrophs。

02Heterotrophic

與(yu) autotrophs 相反，heterotrophs（異養(yang) 生物）是靠其他生物體(ti) 來獲得營養(yang) 的物種，簡單來說就是以“他人”為(wei) 食。

因為(wei) 物種們(men) 的進食方式和食物來源都不是統一的，所以heterotrophs還可以更細致地被更細致地分為(wei) 以下幾種：

Consumers:

這個(ge) 就是通過吞食其他活著的（或者剛死去的）生物體(ti) 並在體(ti) 內(nei) 消化後再吸收其營養(yang) 的物種啦。比如說在羚羊吃草，老虎吃羚羊的這個(ge) 過程中羚羊和老虎都算是consumers。其中也包括以腐肉為(wei) 食的scavengers，比如禿鷲和鬣狗。

Detritivores:

與(yu) consumers十分相似，但是吞食的是已經腐爛了的動植物(detritus &humus)又或者說是其他生物所產(chan) 生的有機物，比如說動物糞便和皮毛。大部分 detritivores 都是無脊椎動物，比如蚯蚓和會(hui) 推糞球球的屎殼郎。

*雖然scavengers和detritivores都屬於(yu) decomposers，但是禿鷲和鬣狗這類的物種到底算是scavengers還是detritivores一直都有著爭(zheng) 議。要注意的是在IB中以腐肉為(wei) 食的動物都被劃分為(wei) 了scavengers。

Saprotrophs:

與(yu) detritivores的營養(yang) 來源相同，但並不是在內(nei) 部消化，而是在外部通過分泌消化酶將其分解後再吸收。大部分蘑菇和細菌都是saprotrophs。

*如果無法確定一個(ge) 物種到底是detritivores還是saprotrophs的話，可以看看它有沒有嘴。如果有嘴的話就是detritivores，沒有的話就是saprotrophs。

03Mixotrophic

當然，也有物種可以做到自產(chan) 自銷的同時靠著吞噬其他生物來獲得營養(yang) 。有著 autotroph 和heterotroph的特性的物種被稱為(wei) Mixotrophic。一種名為(wei) Euglena gracilis的藻類不但體(ti) 內(nei) 有葉綠素可以進行光合作用，還可以通過endocytosis吞食比它小的生物。

總結一下整體(ti) 關(guan) 係的話大概就是這種感覺⬆️

想要快速區分出一個(ge) 物種的營養(yang) 來源到底是屬於(yu) 哪一類的話可以看一看IB的這張圖表⬇️：

（Source：OxfordTextbook）

讓我們(men) 來看看IB對於(yu) 這個(ge) 知識點都出過什麽(me) 樣的題吧！

2019 NOV P1

【答案&解析】

首先我們(men) 可以直接排除A和D選項，因為(wei) 蜂鳥吃進肚的東(dong) 西會(hui) 經過消化係統再被吸收。根據給出的條件，我們(men) 接著可以排除C選項，蜂鳥會(hui) 吃花蜜和小昆蟲而不是腐爛的食物。

因此最終答案為(wei) B選項。

Nutrient cycle

所有資源都是有限的，無機化合物也不例外。為(wei) 了防止營養(yang) 物質的耗盡，這些供應都是通過nutrientcycling來維持的。換句話說就是循環利用！

每個(ge) 物種都在這個(ge) 循環中發揮著自己的作用。Autotrophs從(cong) 周圍環境（空氣/水/土）中獲取無機化合物並轉換為(wei) 有機化合物。Heterotrophs會(hui) 通過進食攝取所需營養(yang) 並用來生長。當它們(men) 死掉之後，decomposers會(hui) 將屍骨分解為(wei) 無機化合物並填飽自己的肚子。最終這些無機化合物又會(hui) 被autotrophs吸收，營養(yang) 再次被循環。

這裏給大家總結了一下營養(yang) 結構之間的關(guan) 係！⬇️

Quadrat sampling & Chi-square-test

既然我們(men) 在前言中說過生態學是一個(ge) 研究不同物種之間的關(guan) 係的學科，那科學家們(men) 是如何判定物種和物種之間存在著怎樣的關(guan) 係呢？其中一種方法就是quadrat sampling。

一個(ge) quadrat 可以理解為(wei) 一個(ge) 正方形的框框。我們(men) 要做的就是把這個(ge) 框框在指定的 habitat 中的隨機位置放下並記錄這個(ge) 框框中出現的生物種群和數量。將這個(ge) 過程重複許多次之後就能得出這個(ge) 種群的大概規模。

quadrat sampling 隻適用於(yu) 植物或者不經常移動的生物體(ti) （畢竟如果跑來跑去的話數量就不準了）。

當一個(ge) quadrat 內(nei) 出現了兩(liang) 種或者更多的物種的話，我們(men) 可以通過 chi-squared test 來計算出它們(men) 之間的關(guan) 係。

就和我們(men) 寫(xie) IA時中做實驗一樣，一共會(hui) 有兩(liang) 種hypothesis：

■ H0 (Null hypothesis): 物種之間沒有任何關(guan) 聯

■ H1 (Alternative hypothesis): 物種之間有關(guan) 聯à關(guan) 聯性可以是positive（更傾(qing) 向於(yu) 同時出現）或者negative（更傾(qing) 向於(yu) 分開出現）

Positive association 一般來說通常存在於(yu) 捕食者與(yu) 獵物或者互相有著共生關(guan) 係的物種之間。而與(yu) 其相反，negative association更多存在於(yu) 處於(yu) 競爭(zheng) 關(guan) 係之間的兩(liang) 個(ge) 物種。

在IB生物中為(wei) 數不多需要我們(men) 動手計算的時間到了！！那麽(me) 接下來讓我們(men) 以看看具體(ti) 要怎麽(me) 計算吧！選了數學HL的同學們(men) 接下來可能會(hui) 覺得很眼熟。

⬆️這個(ge) 是Oxford教科書(shu) 中出現的問題

1. 看到數據第一步要做的就是把它單獨整理成一個(ge) 帶有總數的表格。

	Heather
Moss		Present	Absent	Total
	Present	57	7	64
	Absent	9	27	36
	Total	66	34	100

根據以上信息計算出每一個(ge) 物種的expected  frequency

Expected frequency = (row total * column total) / grand total

e.g.expected frequency of moss only = (64*34)/100 = 21.8

	Heather
Moss		Present	Absent	Total
	Present	42.2	21.8	64
	Absent	23.8	12.2	36
	Total	66	34	100

把數字帶入到chi-squared formula中

⬆️這個(ge) 是formula

O= Observed frequency

E= Expected frequency

⬆️這裏是為(wei) 了讓思路更加清晰才以表格的形式把數據給列了出來，考場上實際計算的時候不用這麽(me) 麻煩因為(wei) 太費時間了

X^2= 5.1905+10.0477+9.2034+17.9541 =42.3957

計算出degrees of freedom

Degrees of freedom = (m-1) (n-1)

m= number of rows

n= number of columns

當我們(men) 在計算兩(liang) 個(ge) 物種之間的關(guan) 係的話，degrees of freedom隻可能是1，因為(wei) ：

(2-1)(2-1)= 1

1. 根據0.05的p value和所得的degrees of freedom在對應的表格中找出critical region

⬆️這個(ge) 是IB曆年真題中出現的表格

如果 degrees of freedom 是1，隻要你計算出來的X²數值大於(yu) 3.841的話就能夠證明這兩(liang) 個(ge) 物種之間存在著關(guan) 聯（alternative hypothesis）。

Chi-squared相關(guan) 的內(nei) 容在大多數情況下會(hui) 出現在paper2中而且一般不會(hui) 要求你去計算整個(ge) 過程，更多的是讓你判斷是哪種hypothesis（但也有可能哪場考試突然就要計算了哦！）。

比如2019NOV P2中出現的這道題：

這道題要求我們(men) 能結合genetic inheritance的內(nei) 容來判斷出degrees of freedom以及找出相對應的critical value。根據給出的parents中的信息，我們(men) 得知Grey-body normal wings所對應的heterozygous，而black-body vestigial wings是homozygous，由此可見這是一個(ge) dihybrid crossing。

在計算dihybrid crossing時，不用把表格列出來就可以算出來degrees of freedom：

Degrees of freedom = number of phenotypes - 1

這道題給出了四種不同的phenotypes，所以4- 1 = 3

Degrees of freedom = 3 & probability大於(yu) 0.05的數值= 7.815

1002.6>7.815 所以differssignificantly

(SL的同學們(men) 不用擔心，dihybrid crossing是HL的內(nei) 容哦)

最後一點碎碎念

這次帶著大家過了一遍第四章前半部分的內(nei) 容，希望大家對於(yu) 這個(ge) topic的理解更深了一步！一般來說第四章的內(nei) 容在P1中大概會(hui) 有2～4題，在P2中更多出現於(yu) data-response的問題中。這章有很多需要記住的定義(yi) ，大家要多多複習(xi) 哦！