Organisms and their environment

你好，IGCSE 的科学探索者们！欢迎来到“生物与环境”的世界

本章（B18 和 B19）将带我们走出细胞，探索周围的大千世界。我们将深入学习生态学（Ecology）——研究生物与它们所处的环境，以及生物之间如何相互作用的学科。

理解这些相互作用至关重要。它能帮助我们洞察能量如何流动以维持生命，更重要的是，了解人类的行为如何影响地球。如果大型生态系统让你感到困惑，别担心；我们将通过清晰的定义和贴近生活的例子，一步步为你拆解！

B18：生物系统中的能量流动

B18.1 能量的来源

维持生命活动的所有能量来自哪里？

生物系统绝大多数能量的最初来源是太阳（Sun）。

• 太阳提供光能。
• 植物（和其他生产者）通过光合作用（photosynthesis）捕获光能，并将其转化为化学能（储存在葡萄糖/碳水化合物中）。
• 当生物之间发生捕食关系时，这些化学能就会传递下去。
• 最终，所有能量都会以热能的形式释放回环境中，这种能量会散失且无法循环利用。

B18.2 食物链与食物网

定义关键角色（生态系统的“演员表”）

为了理解能量如何移动，我们需要了解生物在生态系统中扮演的角色：

1. 生产者（Producer）： 能制造自身有机营养（食物）的生物，通常利用光合作用将阳光转化为能量。
   例子：草、树木、藻类。
2. 消费者（Consumer）： 通过捕食其他生物来获取能量的生物。
3. 分解者（Decomposer）： 从死去的有机物质或废弃物（如落叶、动物尸体或粪便）中获取能量的生物。它们在营养物质循环中起着至关重要的作用。
   例子：细菌和真菌。

食物链（核心考点）

食物链（food chain）展示了能量从一个生物体到下一个生物体的转移过程，始于生产者。

它使用箭头（$\rightarrow$）来表示能量流动的方向（即“被……吃掉”）。

例子：
草 $\rightarrow$ 兔 $\rightarrow$ 狐狸

• 兔子吃草，所以能量从草流向兔子。

食物网（核心考点）

食物网（food web）要现实得多！它是相互交织的食物链构成的网络。大多数生物既捕食多种物种，也可能被多种生物捕食。

把食物网想象成一张复杂的族谱，展示了生态系统中所有可能的“餐单”。

消费者与营养级（核心与补充内容）

生物在食物链或食物网中所处的位置称为营养级（trophic level）。

• 第一营养级： 生产者（通常是植物/藻类）。
• 第二营养级： 初级消费者（吃生产者）。它们通常是植食性动物（herbivores）。
• 第三营养级： 次级消费者（吃初级消费者）。它们通常是肉食性动物（carnivores）。
• 第四营养级： 三级消费者（吃次级消费者）。
• 第五营养级： 四级消费者（吃三级消费者）。

你知道吗？ 既吃植物又吃动物的动物被称为杂食性动物（omnivore），它们可以占据多个营养级！

B18.2 能量转移效率（补充重点）

如果一只老鼠吃了草，它能获得草中 100% 的能量吗？很遗憾，不能！

能量从一个营养级传递到下一个营养级的过程效率非常低。

通常，只有一个营养级储存的能量中约 10% 真正被转移并储存在下一个营养级中。

为什么能量转移效率低下（B18.2.13）？

能量在每一步都会通过自然的生物过程流失：

• 热能散失： 能量通过呼吸作用（有氧或无氧）用于维持运动、生长和体温，以热能形式流失到环境中。
• 废弃物： 能量通过粪便（未消化的食物）和尿液（排泄）流失。
• 未被捕食的部分： 能量储存在消费者无法吃或不去吃的部位（如树根、骨头、毛发）。

营养级数量的限制（B18.2.14）

由于每次转移都有大量的能量损失（约 90%），食物链通常少于五个营养级。如果有六或七个层级，顶级消费者将几乎无法从最初的生产者那里获得能量，从而导致无法生存。

效率与人类饮食（B18.2.15）

理解这种能量损失有助于解释为什么某些饮食方式更高效：

对于人类而言，直接食用农作物（初级消费者）比食用以这些作物为食的牲畜（次级消费者）要节能得多。

类比：想象复印一份文档。如果你直接复印原件，内容清晰（生产者 $\rightarrow$ 人类）。如果你用复印件再进行复印（生产者 $\rightarrow$ 牛 $\rightarrow$ 人类），就会损失大量细节（能量）。

如果我们直接吃小麦，我们就是初级消费者（第2级）。如果我们吃吃了小麦的牛，我们就是次级消费者（第3级），而小麦中 90% 的能量已经在牛身上流失掉了！

B18.3 碳循环

碳循环描述了碳（生命的基础元素）如何在空气、水、陆地和生物之间移动。它确保了碳能够不断地被回收利用。

碳循环的过程（核心考点）

你必须掌握六个主要过程：

1. 光合作用： 生产者（植物）从大气中吸收二氧化碳 (\(\text{CO}_2\)) 来制造有机化合物（葡萄糖）。这一过程减少了大气中的 \(\text{CO}_2\)。
2. 取食（Feeding）： 消费者吃掉生产者或其他消费者，将含碳化合物沿食物链传递。
3. 呼吸作用： 所有生物（生产者、消费者和分解者）通过分解有机化合物来释放能量。此过程会将二氧化碳 (\(\text{CO}_2\)) 释放回大气。
4. 分解作用： 分解者分解死亡的有机物质和废弃物，并通过呼吸作用释放 \(\text{CO}_2\)。
5. 化石燃料的形成： 古代动植物的有机物质在数百万年的压力下被埋藏，形成化石燃料（煤、石油、天然气）。这会将碳封锁在大气循环之外。
6. 燃烧： 燃烧化石燃料（或木材）会将储存的碳以 \(\text{CO}_2\) 的形式释放回大气中。

B19：人类对生态系统的影响

B19.1 生境破坏

生态系统与生物多样性（核心考点）

在讨论破坏之前，让我们先定义几个术语：

• 生态系统（Ecosystem）： 一个包含生物群落（所有生物）和它们的环境（所有非生物因素）并相互作用的整体。
  例子：森林、池塘，甚至是一段腐烂的圆木。
• 生物多样性（Biodiversity）： 生活在特定区域内不同物种的数量。高生物多样性意味着生态系统健康且稳定。

生境破坏的原因（核心考点）

人类活动经常导致自然生境的破坏，降低生物多样性。主要原因包括：

1. 增加生产面积： 为了建设住宅、种植农作物（农耕）和开展畜牧业（养殖）而开垦土地。
2. 开采自然资源： 采矿、采石和伐木会摧毁生态系统。
3. 污染：
   • 淡水和海洋污染： 导致水体受污染。（注意：考试无需详细描述富营养化的过程）。

森林砍伐：负面影响（核心与补充内容）

森林砍伐（Deforestation）是指大规模砍伐树木，这是生境破坏的一个典型例子。

其负面影响（及补充考点的解释）如下：

1. 降低生物多样性 / 物种灭绝： 树木提供了特定的生存环境和食物来源。砍伐树木会杀死许多生物或使它们流离失所，导致生物多样性降低，如果物种无法在其他地方生存，则可能导致灭绝。
2. 土壤流失（侵蚀）： 树根能固定土壤。树木被移除后，暴雨会冲走表层土壤（土壤侵蚀），使土地失去肥力，难以再次利用。
3. 洪水： 森林能吸收大量水分。没有树木，降水会在地表迅速流动，增加了水进入河流的速度和体积，从而导致下游引发洪水。
4. 增加大气中的二氧化碳：
   • 树木在光合作用中吸收大量 \(\text{CO}_2\)（充当碳汇）。砍伐树木停止了这一吸收过程。
   • 如果这些树木被焚烧或任其腐烂，储存的碳会作为 \(\text{CO}_2\) 释放回大气中，导致全球变暖。

B19.2 保护

物种为何濒危或灭绝（核心考点）

如果一个物种面临灭绝风险，则称为濒危（endangered）。如果世界上已没有任何该物种的个体，则称为灭绝（extinct）。

导致濒危的人为关键因素包括：

• 生境破坏（如上所述）。
• 气候变化： 温度和降雨模式的改变使现有的生境不再适合某些物种生存。
• 狩猎/偷猎： 非法或过度狩猎使种群数量减少到不可持续的水平。
• 过度捕捞： 在野外捕获生物（特别是鱼类等食物来源）的速度快于它们繁殖的速度。（这与 B18.2.10 相关）。
• 污染： 将有害物质引入环境。
• 引入外来物种： 人类引入的非本土物种。这些物种往往会与原生种竞争、捕食原生种或引入疾病，将原生种推向灭绝边缘。

如何保护濒危物种（核心考点）

保护工作的目标是维护生物多样性并阻止物种灭绝。方法包括：

1. 监测和保护物种及生境：

   这包括建立国家公园或自然保护区、监测种群数量以及实施反偷猎法律。

2. 教育：

   让公众和当地社区了解生物多样性和可持续实践的重要性，从而获得对保护工作的支持。

3. 圈养繁殖计划：

   在动物园或专门设施内繁育濒危动物，通常目的是在日后将它们放归野外。

4. 种子库：

   储存稀有和重要植物的种子，以保护植物的遗传多样性，预防自然灾害或野外灭绝带来的风险。