IB生物生态学学习内容及知识点有哪些?

目 录 Carbon cycle

  • Diffusion of carbon dioxide
  • Methanogenesis
  • Peat formation

Greenhouse gases

Carbon cycle  在前两篇中我们说到,一个ecosystem中的能量是通过light energy被转化为chemical energy后进行传递的。在这个过程中有一部分会被转换为无法重复利用并流失到环境中的heat energy。在ecosystem中的营养物质虽然是有限的,但是能通过各种方式回收再利用,并在环境和生物体中来回流动

那么我们之前提到过的carbon compounds除了在物种之间能够通过进食等方式循环以外,在环境中又是如何循环的呢?让我们顺着carbon cycle的示意图一起来看看吧!

【IB生物】生态学到底要学什么?(下)

Carbon cycle示意图⬆️

框框代表carbon sink,也就是碳储存的地方

箭头代表carbon flux,也就是碳的走向

 

01Diffusion of Carbon dioxide

Carbon compounds会以二氧化碳的形式通过cell respiration被排出,并以光合作用的方式进入producers,也就是植物。当二氧化碳被排出时,有一部分会溶于水并形成carbonic acid

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Carbonic acid会进一步dissociate并变成hydrogen carbonate ions和hydrogen ions:

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在化学课中我们学到过H+浓度越高就代表着pH越低,也就是more acidic。随着二氧化碳的增加,水里的H+也会增加,导致海水的pH降低。Ocean acidification就是因为有太多的二氧化碳溶于水后产生了过量的H+所导致的。

Hydrogen carbonate ion在此期间还可以继续分解,变成carbonate ionhydrogen ion。当carbonate ion接触到海水中的其他物质后可能会突然发现它们多了一个metal ion,比如很常见的calcium,然后就变成了calcium carbonate

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有一些动物比如珊瑚礁会通过吸收calcium和carbonate ion来形成calcium carbonate以建造外骨骼(exoskeleton),也有一些自己本身的外壳就是calcium carbonate比如蛤蜊。

当它们死掉并掉落到海床后随着时间的推移会逐渐形成lime stone,也就是包含着大量calcium carbonate的石头。当lime stone遇到酸性物质(比如酸雨)时会分解并释放出大量的carbon compounds。

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CO2转化为CaCO3的整体化学流程⬆️

(Source: Google)

P.s: 化学公式不用背哦!主要是要能够了解CO2溶于水后的所造成的一系列影响就ok

02Methanogenesis

Methane(CH4)作为一种greenhouse gasses(温室气体)可以通过许多不同的方法产生,其中一种就是methanogens。Methanogens是一种Archaean microorganism,他们会在anaerobic的环境中将methane作为by-product产生:

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一些常见的anaerobic环境包括:

01、Wetlands → 比如说沼泽和红树林

02、Marine sediments → 河床和海岸的泥

03、Guts of ruminant mammals (反刍哺乳动物) → 牛和羊的胃(当然气体不可能在胃里一直堆积所以最终都会通过肠道排出去,也就是俗话所说的放屁)

当methane被产生并释放进入大气层后,它们会差不多在那里飘上12年。之后methane会被 Monatomic oxygen (O) 以及hydroxyl radicles (OH)氧化然后变成二氧化碳和水

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Methane oxidisation示意图⬆️

(Source: Google)

03Peat formation

在一般情况下所有的有机物都能够被decomposer和fungi完全消化掉。为了保证它们能够进行cell respiration,氧气是必不可少的。但是在某些因为积水而缺氧的土壤中,decomposers无法正常活动,导致有机物无法被完全分解。这直接导致土壤的acidification,进一步抑制decomposers的活动。

当这些未被完全分解的有机物不断堆积peat(泥炭)就形成了。随着时间的推移,它们有些变成了碳,有些变成了油,也有些变成了天然气(包括methane)。

梳理一下这个和carbon cycle的关系的话就是说如果一个producer死了,那它体内的carbon compounds因为无法被完全回收所以经过漫长的地质变化后可能会变成化石(比如煤炭)。如果通过combustion把它给烧了的话那内含的carbon compounds就会被释放进环境中。

IB特别喜欢在peat formation上出题!不仅在选择题中经常出现,有时候也能在p2中看到。大家一定要牢记peat formation的条件

  • Acidic and anaerobic wet environment
  • Partially decomposed organic materials

比如这道来自2018 MAY 的题

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接下来让我们看看carbon cycle的小总结以及IB都出过哪些题吧!

Carbon在ecosystem中的四种形态:

  1. Atmospheric gases → Carbon dioxide and methane
  2. Oceanic carbonates → bicarbonates and calcium carbonate
  3. Organic materials → in living organisms e.g. carbohydrate
  4. Non-living materials → fossil fuel /detritus /peat

【历年真题】

2019 MAY TZ2 P1

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【答案解析】

在认清楚the largest sink and flux之前我们首先别忘了flux指的是carbon exchange,而sink指的是carbon storage。关于这个我们需要看看IB给出的数据:

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Carbon flux 的数据⬆️

(Source: IB Biology Oxford textbook)

根据以上carbon flux的信息我们可以确定最终答案在C和D之间。接着看sink这边的选项,一个是oceans,一个是limestone。你觉得哪种更多呢?刚才我们说到, limestone是在海洋中形成的,原理是靠吸收海洋中的carbon compounds,这也就代表着海洋中的碳元素要比limestone中的多。

最终答案 = C

2017 NOV P1

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【答案解析】

回答这道题需要知道(1)JKL分别在carbon cycle中是什么过程(2)JKL是catabolic 还是anabolic reaction。

让我们先来捋清思路看看JKL分别都是什么。

J: Fuel → atmosphere = combustion

K: Green plants → atmosphere = respiration

L: Atmosphere → Green plants = photosynthesis

不知道你还记不记得第二章molecular biology中新陈代谢相关的内容,在这道题中有考到哦!Anabolism是building up of molecules,而catabolism是breaking down of molecules。

如果觉得绕的话我们可以通过首字母这样记:

  • Anabolism – Add

  • Catabolism – Cut

结合以上内容的话:

J: combustion 的过程中会进行oxidation所以 = catabolism

K: respiration 会breakdown glucose molecules = catabolism

L: photosynthesis 是通过二氧化碳和水合成glucose = anabolism

所以最终答案 = C

2019 MAY TZ1 P1

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【答案解析】

题目中提到anaerobic environment还特意给出了waterlogged soils的例子!疯狂暗示我们这道题考的是peat相关的内容。而刚才我们也说到了methanogens是Archaean organism,所以我们可以直接选A

如果考试的时候太紧张大脑一空把知识点给忘了的话我们还可以用排除法, 因为选项BCD都只能在aerobic environment中存活。

P.s:Archaea可以在许多极端条件下存活,比如天然温泉。

Greenhouse gases

像IB这么在乎环境的课程,关于温室气体的知识相信当时刚进入IB时的你早就已经听了不下十遍了。它们的作用是在大气层吸收地面反射的radiation,给地球表面保暖。有了它们就相当于给地球盖上了一层被子。

那么具体是怎么做到的呢?我们可以分为以下三个步骤:

1.太阳向地球发射 short wavelength radiation (e.g. ultraviolet radiation),其中25%被大气层所吸收,剩下75%到达地球表面并被吸收

2.吸收的radiation被转化为heat,然后从地球表面向太空发射long wavelength radiation (e.g. infra-red radiation);

3.发射出去的radiation中有大约70~85%被大气层吸收然后反射回地面,剩下的飞向太空。

这就是Greenhouse effect(温室效应)。大气层就像一个温室一样,捕获和保留着热量来保护着我们不会被冻死。

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温室效应示意图⬆️

(Source: Google)

在所有greenhouse gasses中我们需要记住的就只有四种

1.Carbon dioxide

  • 通过cell respiration和燃烧化石燃料产生
  • 可以通过光合作用以及被海水吸收等方式减少在大气层中的浓度

2.Water vapor

  • 通过海水蒸发和植物的transpiration等方式释放
  • 可以通过下雨和下雪的方式减少在大气层中的浓度

以上的这两种IB 特别强调 “ have the largest impact” = the more significant greenhouse gasses。

3.Methane

  • 从积水环境中(e.g.沼泽地)和反刍哺乳动物中排出

4.Nitrogen oxides

  • 由一些细菌和汽车尾气排出

以上的这两种相比carbon dioxide和water vapor “have less impact”。

(*在大气层中所有greenhouse gases之和不超过总气体的1%)

以上排名的重要程度是通过两个因素而决定的:

  • Ability to absorb long-wavelength radiation
  • Concentration within the atmospher

因为从地面反射上来的是long-wavelength radiation,所以能够更好吸收long-wavelength radiation的气体就代表有着更大的变暖影响。而气体浓度越大就能够吸收更多的radiation

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由工业所制造的温室气体变暖效应的对比⬆️

水蒸气没有算在里面 → 相对来说太不容易衡量因为水蒸气通常都是自然产生的

(Source: IB study guide)

那么话又说回来了,为什么二氧化碳这么强呢?

虽然methane吸收radiation的能力比二氧化碳强,但是在大气层中的含量更少。水蒸气能够很快的进入大气层,但是不能长时间停留因为很容易就通过气温变化(比如下雨下雪)返回地面,而二氧化碳能够在大气层中持续多年不被分解。

结合上面的内容让我们来看看IB都想要让我们掌握哪些知识点吧!

【历年真题】

2021 MAY TZ2 P2

【IB生物】生态学到底要学什么?(下)

这个题可以作为补充说明温室气体对环境影响的一个具体例子。这道题问的是大气中二氧化碳的浓度提升是如何造成珊瑚礁死亡的,所以我们需要解释(1)二氧化碳进入海水后发生了什么样的变化(2)二氧化碳对珊瑚礁有什么具体影响

这是一道2分的题所以只要回答出以下两点就可以:

  • Carbon dioxide dissolves in oceans/seawater [1]

  • Carbonic acid formed/lowers pH/makes water acidic [1]

  • Prevents deposition of calcium carbonate/causes calcium carbonate to dissolve [1]

  • Skeleton of corals degraded [1]

  • Carbon dioxide is a greenhouse gas/causes warming/increases temperatures [1]

  • Warmer oceans cause corals to expel zooxanthellae/algae [1]

  • Bleaching due to death/expulsion of mutualistic organisms/algae [1]

刚才我们也提到了,珊瑚礁需要足够的calcium carbonate来建造外骨骼。Carbonate ions在海水中本来就不是很多,因为他们的溶解度不高,而分解后的二氧化碳会和carbonate ions产生化学反应,再次降低carbonate ions的浓度。

当carbonate ions的浓度不够时就无法产生足够的calcium carbonate。与此同时,现有的calcium carbonate为了填补这个空缺会自动分解,进一步威胁到珊瑚礁的生存。随着更多的温室气体被排放,海温上升对珊瑚礁也不是很友好,因为与它们有着共生关系algae(zooxanthellae) 会离开,造成营养源流失,导致珊瑚礁白化

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