IB生態知識點：學生態中的能量怎麽就流失了？

上次我們(men) 提到了生態學中不可不背的一些定義(yi) 和物種之間關(guan) 係的測量。 在這篇文章中，我會(hui) 帶大家具體(ti) 看看與(yu) energy flow和energy loss相關(guan) 的內(nei) 容，最後還有許多曆年真題哦！

目錄

1.Energy flow

2.Energy loss

Energy flow

讓我們(men) 順著nutrient cycle來講energy flow！就像我們(men) 上次說過的那樣，所有資源都是有限的，所以營養(yang) 會(hui) 被多次循環利用。那麽(me) 在這個(ge) 過程中就會(hui) 產(chan) 生能量的傳(chuan) 遞和流失。對於(yu) 在ecosystem中大多數的動物來說，最初的能量來源是太陽光。

有了太陽光，植物就能夠進行光合作用茁壯成長然後作為(wei) 養(yang) 分被草食動物給吃掉。相信你以前肯定聽到過food chain(食物鏈)這一詞。當很多條食物鏈同時存在於(yu) 同一個(ge) ecosystem中就形成了food web。

在一條食物鏈中所有物種都可以被分為(wei) 兩(liang) 大類：producer和consumer。

Producer指的就是我們(men) 上次提到的autotrophs。植物，eukaryotic algae和cyanobacteria都屬於(yu) producer。當它們(men) 進行光合作用的時候，light energy被轉化為(wei) 了chemical energy，用於(yu) 製造生長所需要的carbon compounds（劃重點，IB特別愛考這個(ge) 知識點！！！）。

光合作用中的能量轉換⬆️(Source: Google)

Consumers會(hui) 根據trophic level，也就是在food chain中所占據的位置，被分為(wei) primary consumer，secondary consumer，以及tertiary consumer。舉(ju) 個(ge) 栗子?：

Trophic level	Type of organism	Example
1	Producer	Carrot
2	Primary Consumer	Rabbit
3	Secondary Consumer	Fox
4	Tertiary Consumer	Lion

把以上的表格按照food chain的順序寫(xie) 出來的話就會(hui) 是這樣：Carrot→Rabbit→Fox→LionProducer 永遠是第一個(ge) 被吃掉的，而tertiary consumer 會(hui) 把位處自己之前的生物全部吃掉（箭頭是能量傳(chuan) 遞的方向哦）。

看到這裏你可能會(hui) 問了，既然能量也會(hui) 被傳(chuan) 遞到吃腐爛物的detritivores和saprotrophs身上並回收，那為(wei) 什麽(me) 它們(men) 不在食物鏈內(nei) ？這是因為(wei) 它們(men) 沒有固定的trophic level，沒有要求他們(men) 一定隻能夠吃某個(ge) trophic level的屍體(ti) 。

還是用剛才上麵提到過的例子，一條蛆既可以吃腐爛的胡蘿卜，也可以吃腐爛的兔子。除此之外，它們(men) 也不與(yu) 任何生物有著直接的互動關(guan) 係，而是像一塊磚哪裏需要往哪裏搬。它們(men) 在食物鏈的所有trophic level上發揮著作用。

在進入下個(ge) topic之前先讓我們(men) 看看IB都在這個(ge) 知識點上出過哪些題吧！

曆年真題NO.12019MAY TZ1 P1

【答案&解析】

這道題需要我們(men) 能夠通過food web分辨出trophic level。千萬(wan) 不要忘了箭頭所指的方向才是能量傳(chuan) 遞的方向（同時也代表著trophic level的遞進）。

這四個(ge) 選項中我們(men) 可以首先排除選項A和C。沒有箭頭指向T就代表了T是一個(ge) producer，而T指向W證明了W是primary consumer。選項D也是錯的，因為(wei) Y本身沒有一個(ge) 固定的trophic level：如果按照T→W→Y的順序的話，Y也可以是個(ge) secondary consumer。

最終答案=B

一般在課本中當我們(men) 看到食物鏈的時候，箭頭都是從(cong) 左到右的順序貫穿了整個(ge) 過程，導致我們(men) 很容易先入為(wei) 主陷入這種trick question。所以一定要看清楚箭頭的方向！

NO.22019MAY TZ2 P1

【答案&解析】

食物鏈存在的目的是為(wei) 了顯示能量從(cong) 一個(ge) 生物體(ti) 轉移到另一個(ge) 生物體(ti) 中的走向。順著這個(ge) 思路來想的話，我們(men) 就隻需要排除無法為(wei) consumers直接提供能量的選項就可以了。

I：Carbon dioxide需要被producers通過光合作用才能將其轉換成carbohydrates和lipids等生物所需要的營養(yang) =無法直接提供營養(yang) 。

II：Protein自身具有維護細胞的功能=可以直接提供能量。

III：在ecology 這個(ge) 章節中，當carbon dioxide溶於(yu) 水時hydrogen carbonate ions才會(hui) 出現=這個(ge) 已經跟能量傳(chuan) 遞沒有關(guan) 係了。

排除掉選項ACD，最終答案=B

NO.32018NOV P1

【答案&解析】

這道題所考查的是我們(men) 對於(yu) 整體(ti) energy flow的了解程度，重點在於(yu) chemical energy。

剛才我們(men) 提到當autotrophs進行光合作用時，light energy會(hui) 被轉換為(wei) chemical energy。Star grass是autotrophs，也就證明上圖中的I是light energy，而II和III是chemical energy。

排除選項ABD，最終答案=C

Energy loss 在食物鏈這種類似於(yu) 大魚吃小魚的過程中，能夠被吸收的能量隻占總能量的少數，更多的能量會(hui) 在這個(ge) 傳(chuan) 遞過程中流失。隻有大約10%的能量會(hui) 被傳(chuan) 遞到下一個(ge) trophic level，其餘(yu) 的能量會(hui) 通過各種方式流失到環境中。

⬆️Energy pyramid的一個(ge) 例子這種金字塔圖表能夠顯示一個(ge) 群體(ti) 中每個(ge) trophic level的能量流動情況。(Source: Oxford textbook)

*注意⚠️⚠️⚠️：計量單位是 kJm^-2yr^-1(energy per square meter per year)能量的流失是必然的，因為(wei) 在進食的時候不是所有部分都會(hui) 被吃掉(比如毛發或者植物的根)，而且也不是所有被吃進肚的食物都能被完全消化掉（比如骨頭可能會(hui) 隨著糞便被排出體(ti) 外）。

除此以外，有些生物在被吃掉之前就已經死了（比如病死的兔子），能量不會(hui) 被傳(chuan) 遞給下一個(ge) consumer而是被decomposers給瓜分了。chemical energy還可以被轉換為(wei) 其他不同的能量⚠️。

比如肌肉收縮時的kinetic energy和神經細胞發送信號時的electrical energy。ATP的重要性相信我們(men) 在學習(xi) membrane transport的時候就已經意識到了。

你還記得ATP是怎樣產(chan) 生的嗎？沒錯！就是cell respiration。當我們(men) 體(ti) 內(nei) 的細胞進行cell respiration時， heat energy作為(wei) by-product會(hui) 被產(chan) 生。雖然是by-product，但是也可以讓生物的體(ti) 感溫度變高（比如冷血動物）。

物理知識告訴我們(men) 熱量會(hui) 從(cong) 較熱的物體(ti) 傳(chuan) 遞到較冷的物體(ti) 中，所以生物體(ti) 內(nei) 產(chan) 生的這種熱量會(hui) 流失到環境中然後最終消失。

與(yu) 上次提到的nutrient cycle不同的是，heat energy無法被回收利用，也沒有辦法被轉換成其他的能量（劃重點⚠️⚠️）。這也就是為(wei) 什麽(me) 一個(ge) 生態係統會(hui) 需要一種持續的外部能量來源，也就是太陽光，來維持整個(ge) 係統的正常運轉。

能量流失的總結圖⬆️（Source: Google）

Trophic level 之間的能量流失限製了食物鏈的長度，trophic level的數量和biomass。一個(ge) 食物鏈一般隻會(hui) 有三到四個(ge) trophic level，這是因為(wei) 越往後可用的能量就越少，剩餘(yu) 的能量不足以支撐其他的trophic levels。

Biomass是一種生物體(ti) 在同一個(ge) trophic level的總質量，其中包括細胞組織和所含的carbon compounds，比如碳水化合物。除了以上能量流失的原因以外，當生物進行cell respiration時還會(hui) 損失二氧化碳和水，也就導致Biomass會(hui) 隨著tropical level的遞進逐漸減小。

除此之外，移除代謝廢物比如urea也會(hui) 造成biomass的減少。其中的邏輯是隻要生物體(ti) 內(nei) 的carbon compound減少，biomass就會(hui) 變小。讓我們(men) 稍微總結一下energy loss的知識點然後看看IB出的曆年真題吧！

能量流失的原因

01浪費糧食沒吃幹淨

02消化不了所以吸收不了

03進行cell respiration時以heat energy的形式流失=下一個(ge) trophic level能用的能量是沒有被用完的chemical energy

曆年真題NO.12020NOV P1

【答案&解析】

遇到這種題隻要看到有respiration那答案就肯定是respiration。IB在syllabus中特別強調了 “Energy released from carbon compounds by respiration is used in living organisms and converted to heat”。

Respiration是無時無刻不在發生的，而且也是其他三個(ge) 選項能夠發生的基礎前提。

最終答案=D

題外話: phytoplankton是plankton的一種，準確來說是浮遊植物。

NO.22019MAY TZ2 P1

【答案&解析】

Pyramid of energy所展示的是一個(ge) 生態環境中每個(ge) trophic level之間能量的流動。

從(cong) 下往上的順序分別是producer→primary consumer→secondary consumer→tertiary consumer。

最終答案=C

NO.32018MAY TZ2 P1

【答案&解析】

這道問題需要我們(men) 對biomass，inorganic nutrients和chemical energy的流向十分清楚。

I：Biomass因為(wei) 能量流失的原因會(hui) 隨著trophic level的遞進而decrease（不是increase！）=錯

II：Inorganic nutrients在一個(ge) 生態係統中都不像太陽光那樣是取之不盡用之不竭的，是一定會(hui) 通過decomposers被循環利用的。IB syllabus中也特別強調了: “The supply of inorganic nutrients in maintained by nutrient cycling”=對

III：再次引用IB syllabus中的原話: “Light energy is converted to chemical energy in carbon compounds by photosynthesis”=對

最終答案=C

NO.42019MAY TZ1 P2

重點⚠️：sustainable，明示著我們(men) 聊一聊關(guan) 於(yu) 循環利用的那些事這是一個(ge) 要求我們(men) outline的4分題，所以隻要答出以下四點就?️。我們(men) 可以按照what→how的思路進行回答。

What: 什麽(me) 被循環了？具體(ti) 舉(ju) 一個(ge) 例子

• Recycling of nutrients/elements/components/materials [1]
• Example of recycled nutrient/element e.g. carbon [1]

How: 怎麽(me) 被循環的？如何產(chan) 生的？

• Decomposers/saprotrophs break down organic matter/release nutrient [1]
• Energy supplied by the sun/energy is lost from ecosystems as heat/energy cannot be recycled [1]
• Energy flow along food chains/web/trophic level [1]

其他：具體(ti) 的一些例子

• Oxygen released by autotrophs/photosynthesis/plants [1]
• Carbon dioxide released by respiration [1]
• Supplies of water from rainfall/precipitation/rivers/water cycle [1]

NO.52019MAY TZ2 P2

重點⚠️：energy flow，需要提到light energy和chemical energy以及energy loss。同樣是一個(ge) outline的4分題，我們(men) 繼續按照what→how的思路解答。

What: 什麽(me) energy? Energy flow的過程中會(hui) 發生什麽(me) ？

• Energy from the sun/light energy is converted to chemical energy by photosynthesis [1]
• Chemical energy flows through the food chains by feeding [1]
• Energy is released by respiration/energy from respiration is used by living organisms and converted to heat [1]

How: Energy loss是如何發生的？

• Heat is not recyclable/lost from food chains [1]
• Energy is lost in excretion/uneaten material/egestion/faeces [1]

其他：與(yu) energy loss/energy transfer的相關(guan) 內(nei) 容

• Energy losses between trophic levels limits the length of food chains/energy transfer is only 10% between trophic levels [1]

最後一點碎碎念 這次帶大家過了一遍第四章中energy flow和energy loss 的內(nei) 容，可以結合上次的內(nei) 容一起複習(xi) 哦～相比上次的各種定義(yi) 和計算，IB更喜歡在與(yu) 能量相關(guan) 的內(nei) 容上出題......大家一定要仔細審題！讓我們(men) 下次再見啦～祝大家都可以7777