IB生物生态学到底要学什么？（上）

第一次接触到生态学这个词的时候，相信你或多或少都有产生过“生态学是什么？”的想法。

机智的你肯定已经看到了生态学中的“生态”二字！

但生态学所研究的并不是“动物们的生活空间”这一抽象概念，而是有着具体定义的生物群体与其周围环境之间的关系。

今天将带大家一起复习IB生物的第四章---- 生态学！

虽然内容相比其他几章可能会更容易理解，但是有许多需要记住的知识点哦。

目 录

1Terminology

2Modes of nutrition

• 2.1 Autotrophic

• 2.2 Heterotrophic

• 2.3 Mixotrophic

3Nutrient cycle

4Quadrat sampling & Chi-squared test

Terminology

先来看看我们需要理解的一些专用名词！（IB要求我们要能够写出其定义哦）：

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

生物体能够被称为物种的条件是能够交配并产生可育后代的生物体。

在自然界中不仅相同物种之间会繁殖，两个不同的物种也可以进行繁殖。两个不同物种在一起繁殖所生下来的后代被称为hybrid，比如马和驴会生出来骡子。那骡子算不算是species呢？

如果根据以上的定义的话，因为自身染色体不对称的问题导致它们没有繁育后代的能力，所以严格意义上来说骡子不算species。

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

种群指的是同一时间生活在同一地区的同一物种的生物体。这并不代表生活在两个不同地区的种群不能是同一物种。这就和我们一样，不管你是住在哪个省份哪个国家，都是人类呀！

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

就像一只豹子如果不捕食的话就会饿死一样，物种的长期生存都会依赖于与其他物种之间的关系，一个物种的种群无法独立地生活。当不同物种的种群生活在一起互相影响着对方时，群落就产生了。珊瑚礁就是一种群落。因为小丑鱼会利用珊瑚来躲避捕食者，所以它们之间的关系还被称为symbiosis（共生）。

一个群落内的捕食关系可以通过food web来表现出来（以后会具体讲！）。

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

如果说community是单指生物群体的话，那ecosystem就是community+ habitat，也就是物种所居住的环境。就像刚才提到的一样，一个物种的种群无法独立地生活。这其中也包括abiotic environment（非生物环境），由非生命物质所组成的环境，比如说石头和水。

Community 和abiotic environment是会互相影响对方的！如果悬崖上的岩石太窄的话，一只鸟很有可能会选其他的地方来筑巢下蛋。如果一个地方有很多树的话，就能有效防止水土流失，保留住所需要的养分。

总而言之，生态学所研究的是就是以上专用名词之间的关系，可以参考一下下面这个表哦：

（Source:Google）

Modes of nutrition

让我们再回到物种的话题上！所有物种的生长都离不开大口干饭，不管是吃别人的还是吃自己的，都会有一个摄入营养的来源。

具体一点的话，所有物种都离不开organic nutrients。让我们回想一下，一些最基础的 molecules 比如蛋白质和糖都是由glucose和amino acid所组成的。

物种的营养来源主要可以被区分为autotrophic和heterotrophic。

01Autotrophic

能够将在周围abiotic environment中的无机化合物转变为有机化合物为营养进行生长和繁殖。像这样能自产自销的物种被称为autotrophs（自养生物）。

大部分植物和藻类都是autotrophs，它们能够通过光合作用将light energy转化为 chemical energy。我们都知道植物要进行光合作用的话不能没 chlorophyll（叶绿素），但实际上不是所有的植物都有chlorophyll。

那没有 chlorophyll 的植物要怎样获取营养呢？这些植物会通过寄生（parasitic）的方式，长在其他植物上并吸取他们的养分用于自身生长。也正是因为寄生植物在所有植物中占比很小（只有1%左右），所以科学家们还是把植物整体划分为了autotrophs。

02Heterotrophic

与 autotrophs 相反，heterotrophs（异养生物）是靠其他生物体来获得营养的物种，简单来说就是以“他人”为食。

因为物种们的进食方式和食物来源都不是统一的，所以heterotrophs还可以更细致地被更细致地分为以下几种：

Consumers:

这个就是通过吞食其他活着的（或者刚死去的）生物体并在体内消化后再吸收其营养的物种啦。比如说在羚羊吃草，老虎吃羚羊的这个过程中羚羊和老虎都算是consumers。其中也包括以腐肉为食的scavengers，比如秃鹫和鬣狗。

Detritivores:

与consumers十分相似，但是吞食的是已经腐烂了的动植物(detritus &humus)又或者说是其他生物所产生的有机物，比如说动物粪便和皮毛。大部分 detritivores 都是无脊椎动物，比如蚯蚓和会推粪球球的屎壳郎。

*虽然scavengers和detritivores都属于decomposers，但是秃鹫和鬣狗这类的物种到底算是scavengers还是detritivores一直都有着争议。要注意的是在IB中以腐肉为食的动物都被划分为了scavengers。

Saprotrophs:

与detritivores的营养来源相同，但并不是在内部消化，而是在外部通过分泌消化酶将其分解后再吸收。大部分蘑菇和细菌都是saprotrophs。

*如果无法确定一个物种到底是detritivores还是saprotrophs的话，可以看看它有没有嘴。如果有嘴的话就是detritivores，没有的话就是saprotrophs。

03Mixotrophic

当然，也有物种可以做到自产自销的同时靠着吞噬其他生物来获得营养。有着 autotroph 和heterotroph的特性的物种被称为Mixotrophic。一种名为Euglena gracilis的藻类不但体内有叶绿素可以进行光合作用，还可以通过endocytosis吞食比它小的生物。

总结一下整体关系的话大概就是这种感觉⬆️

想要快速区分出一个物种的营养来源到底是属于哪一类的话可以看一看IB的这张图表⬇️：

（Source：OxfordTextbook）

让我们来看看IB对于这个知识点都出过什么样的题吧！

2019 NOV P1

【答案&解析】

首先我们可以直接排除A和D选项，因为蜂鸟吃进肚的东西会经过消化系统再被吸收。根据给出的条件，我们接着可以排除C选项，蜂鸟会吃花蜜和小昆虫而不是腐烂的食物。

因此最终答案为B选项。

Nutrient cycle

所有资源都是有限的，无机化合物也不例外。为了防止营养物质的耗尽，这些供应都是通过nutrientcycling来维持的。换句话说就是循环利用！

每个物种都在这个循环中发挥着自己的作用。Autotrophs从周围环境（空气/水/土）中获取无机化合物并转换为有机化合物。Heterotrophs会通过进食摄取所需营养并用来生长。当它们死掉之后，decomposers会将尸骨分解为无机化合物并填饱自己的肚子。最终这些无机化合物又会被autotrophs吸收，营养再次被循环。

这里给大家总结了一下营养结构之间的关系！⬇️

Quadrat sampling & Chi-square-test

既然我们在前言中说过生态学是一个研究不同物种之间的关系的学科，那科学家们是如何判定物种和物种之间存在着怎样的关系呢？其中一种方法就是quadrat sampling。

一个 quadrat 可以理解为一个正方形的框框。我们要做的就是把这个框框在指定的 habitat 中的随机位置放下并记录这个框框中出现的生物种群和数量。将这个过程重复许多次之后就能得出这个种群的大概规模。

quadrat sampling 只适用于植物或者不经常移动的生物体（毕竟如果跑来跑去的话数量就不准了）。

当一个 quadrat 内出现了两种或者更多的物种的话，我们可以通过 chi-squared test 来计算出它们之间的关系。

就和我们写IA时中做实验一样，一共会有两种hypothesis：

■ H0 (Null hypothesis): 物种之间没有任何关联

■ H1 (Alternative hypothesis): 物种之间有关联à关联性可以是positive（更倾向于同时出现）或者negative（更倾向于分开出现）

Positive association 一般来说通常存在于捕食者与猎物或者互相有着共生关系的物种之间。而与其相反，negative association更多存在于处于竞争关系之间的两个物种。

在IB生物中为数不多需要我们动手计算的时间到了！！那么接下来让我们以看看具体要怎么计算吧！选了数学HL的同学们接下来可能会觉得很眼熟。

⬆️这个是Oxford教科书中出现的问题

1. 看到数据第一步要做的就是把它单独整理成一个带有总数的表格。

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

根据以上信息计算出每一个物种的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

把数字带入到chi-squared formula中

⬆️这个是formula

O= Observed frequency

E= Expected frequency

⬆️这里是为了让思路更加清晰才以表格的形式把数据给列了出来，考场上实际计算的时候不用这么麻烦因为太费时间了

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

计算出degrees of freedom

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

m= number of rows

n= number of columns

当我们在计算两个物种之间的关系的话，degrees of freedom只可能是1，因为：

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

1. 根据0.05的p value和所得的degrees of freedom在对应的表格中找出critical region

⬆️这个是IB历年真题中出现的表格

如果 degrees of freedom 是1，只要你计算出来的X²数值大于3.841的话就能够证明这两个物种之间存在着关联（alternative hypothesis）。

Chi-squared相关的内容在大多数情况下会出现在paper2中而且一般不会要求你去计算整个过程，更多的是让你判断是哪种hypothesis（但也有可能哪场考试突然就要计算了哦！）。

比如2019NOV P2中出现的这道题：

这道题要求我们能结合genetic inheritance的内容来判断出degrees of freedom以及找出相对应的critical value。根据给出的parents中的信息，我们得知Grey-body normal wings所对应的heterozygous，而black-body vestigial wings是homozygous，由此可见这是一个dihybrid crossing。

在计算dihybrid crossing时，不用把表格列出来就可以算出来degrees of freedom：

Degrees of freedom = number of phenotypes - 1

这道题给出了四种不同的phenotypes，所以4- 1 = 3

Degrees of freedom = 3 & probability大于0.05的数值= 7.815

1002.6>7.815 所以differssignificantly

(SL的同学们不用担心，dihybrid crossing是HL的内容哦)

最后一点碎碎念

这次带着大家过了一遍第四章前半部分的内容，希望大家对于这个topic的理解更深了一步！一般来说第四章的内容在P1中大概会有2～4题，在P2中更多出现于data-response的问题中。这章有很多需要记住的定义，大家要多多复习哦！