IB生物生態學學習內容及知識點有哪些？

目 錄 Carbon cycle

• Diffusion of carbon dioxide
• Methanogenesis
• Peat formation

Greenhouse gases

Carbon cycle  在前兩(liang) 篇中我們(men) 說到，一個(ge) ecosystem中的能量是通過light energy被轉化為(wei) chemical energy後進行傳(chuan) 遞的。在這個(ge) 過程中有一部分會(hui) 被轉換為(wei) 無法重複利用並流失到環境中的heat energy。在ecosystem中的營養(yang) 物質雖然是有限的，但是能通過各種方式回收再利用，並在環境和生物體(ti) 中來回流動。

那麽(me) 我們(men) 之前提到過的carbon compounds除了在物種之間能夠通過進食等方式循環以外，在環境中又是如何循環的呢？讓我們(men) 順著carbon cycle的示意圖一起來看看吧！

Carbon cycle示意圖⬆️

框框代表carbon sink，也就是碳儲(chu) 存的地方

箭頭代表carbon flux，也就是碳的走向

 

01Diffusion of Carbon dioxide

Carbon compounds會(hui) 以二氧化碳的形式通過cell respiration被排出，並以光合作用的方式進入producers，也就是植物。當二氧化碳被排出時，有一部分會(hui) 溶於(yu) 水並形成carbonic acid。

Carbonic acid會(hui) 進一步dissociate並變成hydrogen carbonate ions和hydrogen ions：

在化學課中我們(men) 學到過H⁺濃度越高就代表著pH越低，也就是more acidic。隨著二氧化碳的增加，水裏的H⁺也會(hui) 增加，導致海水的pH降低。Ocean acidification就是因為(wei) 有太多的二氧化碳溶於(yu) 水後產(chan) 生了過量的H⁺所導致的。

Hydrogen carbonate ion在此期間還可以繼續分解，變成carbonate ion和 hydrogen ion。當carbonate ion接觸到海水中的其他物質後可能會(hui) 突然發現它們(men) 多了一個(ge) metal ion，比如很常見的calcium，然後就變成了calcium carbonate。

有一些動物比如珊瑚礁會(hui) 通過吸收calcium和carbonate ion來形成calcium carbonate以建造外骨骼(exoskeleton)，也有一些自己本身的外殼就是calcium carbonate比如蛤蜊。

當它們(men) 死掉並掉落到海床後隨著時間的推移會(hui) 逐漸形成lime stone，也就是包含著大量calcium carbonate的石頭。當lime stone遇到酸性物質（比如酸雨）時會(hui) 分解並釋放出大量的carbon compounds。

CO₂轉化為(wei) CaCO₃的整體(ti) 化學流程⬆️

(Source: Google)

P.s: 化學公式不用背哦！主要是要能夠了解CO₂溶於(yu) 水後的所造成的一係列影響就ok

02Methanogenesis

Methane(CH₄)作為(wei) 一種greenhouse gasses(溫室氣體(ti) )可以通過許多不同的方法產(chan) 生，其中一種就是methanogens。Methanogens是一種Archaean microorganism，他們(men) 會(hui) 在anaerobic的環境中將methane作為(wei) by-product產(chan) 生:

一些常見的anaerobic環境包括：

01、Wetlands → 比如說沼澤和紅樹林

02、Marine sediments → 河床和海岸的泥

03、Guts of ruminant mammals (反芻哺乳動物) → 牛和羊的胃（當然氣體(ti) 不可能在胃裏一直堆積所以最終都會(hui) 通過腸道排出去，也就是俗話所說的放屁）

當methane被產(chan) 生並釋放進入大氣層後，它們(men) 會(hui) 差不多在那裏飄上12年。之後methane會(hui) 被 Monatomic oxygen (O) 以及hydroxyl radicles (OH^・)氧化然後變成二氧化碳和水。

Methane oxidisation示意圖⬆️

（Source: Google）

03Peat formation

在一般情況下所有的有機物都能夠被decomposer和fungi完全消化掉。為(wei) 了保證它們(men) 能夠進行cell respiration，氧氣是必不可少的。但是在某些因為(wei) 積水而缺氧的土壤中，decomposers無法正常活動，導致有機物無法被完全分解。這直接導致土壤的acidification，進一步抑製decomposers的活動。

當這些未被完全分解的有機物不斷堆積，peat(泥炭)就形成了。隨著時間的推移，它們(men) 有些變成了碳，有些變成了油，也有些變成了天然氣(包括methane)。

梳理一下這個(ge) 和carbon cycle的關(guan) 係的話就是說如果一個(ge) producer死了，那它體(ti) 內(nei) 的carbon compounds因為(wei) 無法被完全回收所以經過漫長的地質變化後可能會(hui) 變成化石（比如煤炭）。如果通過combustion把它給燒了的話那內(nei) 含的carbon compounds就會(hui) 被釋放進環境中。

IB特別喜歡在peat formation上出題！不僅(jin) 在選擇題中經常出現，有時候也能在p2中看到。大家一定要牢記peat formation的條件：

• Acidic and anaerobic wet environment
• Partially decomposed organic materials

比如這道來自2018 MAY 的題⏬：

接下來讓我們(men) 看看carbon cycle的小總結以及IB都出過哪些題吧！

Carbon在ecosystem中的四種形態:

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

【曆年真題】

2019 MAY TZ2 P1

【答案解析】

在認清楚the largest sink and flux之前我們(men) 首先別忘了flux指的是carbon exchange，而sink指的是carbon storage。關(guan) 於(yu) 這個(ge) 我們(men) 需要看看IB給出的數據：

Carbon flux 的數據⬆️

（Source: IB Biology Oxford textbook）

根據以上carbon flux的信息我們(men) 可以確定最終答案在C和D之間。接著看sink這邊的選項，一個(ge) 是oceans，一個(ge) 是limestone。你覺得哪種更多呢？剛才我們(men) 說到, limestone是在海洋中形成的，原理是靠吸收海洋中的carbon compounds，這也就代表著海洋中的碳元素要比limestone中的多。

最終答案 = C

2017 NOV P1

【答案解析】

回答這道題需要知道（1）JKL分別在carbon cycle中是什麽(me) 過程（2）JKL是catabolic 還是anabolic reaction。

讓我們(men) 先來捋清思路看看JKL分別都是什麽(me) 。

J: Fuel → atmosphere = combustion

K: Green plants → atmosphere = respiration

L: Atmosphere → Green plants = photosynthesis

不知道你還記不記得第二章molecular biology中新陳代謝相關(guan) 的內(nei) 容，在這道題中有考到哦！Anabolism是building up of molecules，而catabolism是breaking down of molecules。

如果覺得繞的話我們(men) 可以通過首字母這樣記：

• Anabolism – Add

• Catabolism – Cut

結合以上內(nei) 容的話：

J: combustion 的過程中會(hui) 進行oxidation所以 = catabolism

K: respiration 會(hui) breakdown glucose molecules = catabolism

L: photosynthesis 是通過二氧化碳和水合成glucose = anabolism

所以最終答案 = C

2019 MAY TZ1 P1

【答案解析】

題目中提到anaerobic environment還特意給出了waterlogged soils的例子！瘋狂暗示我們(men) 這道題考的是peat相關(guan) 的內(nei) 容。而剛才我們(men) 也說到了methanogens是Archaean organism，所以我們(men) 可以直接選A。

如果考試的時候太緊張大腦一空把知識點給忘了的話我們(men) 還可以用排除法， 因為(wei) 選項BCD都隻能在aerobic environment中存活。

P.s：Archaea可以在許多極端條件下存活，比如天然溫泉。

Greenhouse gases

像IB這麽(me) 在乎環境的課程，關(guan) 於(yu) 溫室氣體(ti) 的知識相信當時剛進入IB時的你早就已經聽了不下十遍了。它們(men) 的作用是在大氣層吸收地麵反射的radiation，給地球表麵保暖。有了它們(men) 就相當於(yu) 給地球蓋上了一層被子。

那麽(me) 具體(ti) 是怎麽(me) 做到的呢？我們(men) 可以分為(wei) 以下三個(ge) 步驟：

1.太陽向地球發射 short wavelength radiation (e.g. ultraviolet radiation)，其中25%被大氣層所吸收，剩下75%到達地球表麵並被吸收；

2.吸收的radiation被轉化為(wei) heat，然後從(cong) 地球表麵向太空發射long wavelength radiation (e.g. infra-red radiation)；

3.發射出去的radiation中有大約70～85%被大氣層吸收然後反射回地麵，剩下的飛向太空。

這就是Greenhouse effect(溫室效應)。大氣層就像一個(ge) 溫室一樣，捕獲和保留著熱量來保護著我們(men) 不會(hui) 被凍死。

溫室效應示意圖⬆️

(Source: Google)

在所有greenhouse gasses中我們(men) 需要記住的就隻有四種：

1.Carbon dioxide

• 通過cell respiration和燃燒化石燃料產生
• 可以通過光合作用以及被海水吸收等方式減少在大氣層中的濃度

2.Water vapor

• 通過海水蒸發和植物的transpiration等方式釋放
• 可以通過下雨和下雪的方式減少在大氣層中的濃度

以上的這兩(liang) 種IB 特別強調 “ have the largest impact” = the more significant greenhouse gasses。

3.Methane

• 從積水環境中（e.g.沼澤地）和反芻哺乳動物中排出

4.Nitrogen oxides

• 由一些細菌和汽車尾氣排出

以上的這兩(liang) 種相比carbon dioxide和water vapor “have less impact”。

（*在大氣層中所有greenhouse gases之和不超過總氣體(ti) 的1%）

以上排名的重要程度是通過兩(liang) 個(ge) 因素而決(jue) 定的：

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

因為(wei) 從(cong) 地麵反射上來的是long-wavelength radiation，所以能夠更好吸收long-wavelength radiation的氣體(ti) 就代表有著更大的變暖影響。而氣體(ti) 濃度越大就能夠吸收更多的radiation。

由工業(ye) 所製造的溫室氣體(ti) 變暖效應的對比⬆️

水蒸氣沒有算在裏麵 → 相對來說太不容易衡量因為(wei) 水蒸氣通常都是自然產(chan) 生的

(Source: IB study guide)

那麽(me) 話又說回來了，為(wei) 什麽(me) 二氧化碳這麽(me) 強呢？

雖然methane吸收radiation的能力比二氧化碳強，但是在大氣層中的含量更少。水蒸氣能夠很快的進入大氣層，但是不能長時間停留因為(wei) 很容易就通過氣溫變化（比如下雨下雪）返回地麵，而二氧化碳能夠在大氣層中持續多年不被分解。

結合上麵的內(nei) 容讓我們(men) 來看看IB都想要讓我們(men) 掌握哪些知識點吧！

【曆年真題】

2021 MAY TZ2 P2

這個(ge) 題可以作為(wei) 補充說明溫室氣體(ti) 對環境影響的一個(ge) 具體(ti) 例子。這道題問的是大氣中二氧化碳的濃度提升是如何造成珊瑚礁死亡的，所以我們(men) 需要解釋（1）二氧化碳進入海水後發生了什麽(me) 樣的變化（2）二氧化碳對珊瑚礁有什麽(me) 具體(ti) 影響。

這是一道2分的題所以隻要回答出以下兩(liang) 點就可以：

• 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]

剛才我們(men) 也提到了，珊瑚礁需要足夠的calcium carbonate來建造外骨骼。Carbonate ions在海水中本來就不是很多，因為(wei) 他們(men) 的溶解度不高，而分解後的二氧化碳會(hui) 和carbonate ions產(chan) 生化學反應，再次降低carbonate ions的濃度。

當carbonate ions的濃度不夠時就無法產(chan) 生足夠的calcium carbonate。與(yu) 此同時，現有的calcium carbonate為(wei) 了填補這個(ge) 空缺會(hui) 自動分解，進一步威脅到珊瑚礁的生存。隨著更多的溫室氣體(ti) 被排放，海溫上升對珊瑚礁也不是很友好，因為(wei) 與(yu) 它們(men) 有著共生關(guan) 係的algae(zooxanthellae) 會(hui) 離開，造成營養(yang) 源流失，導致珊瑚礁白化。