# 能量流动、生态系统与环境

> Edexcel 国际A-Level 生物 · IAL 2018 第4单元 (WBI14)
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-biology-u4-energy-flow-ecosystems-and-the/

本指南覆盖Edexcel IAL生物第4单元第5主题的全部内容：光合作用反应、生态系统能量流动、气候变化证据、演替、物种形成，以及三个考试要求的核心实验。

**先修:** [Edexcel IAS 生物第1单元酶功能基础](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-biology-u1-enzymes/); [Edexcel IAS 生物第4单元选择与遗传学基础](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-biology-ias-u4-genetics-selection/)

## 学习目标

- 为考试题目计算NPP、能量传递效率与Q10值
- 描述光反应/暗反应阶段的光合作用过程以及叶绿体的结构与功能关联
- 解释演替、生态位理论、异域/同域物种形成以及气候变化证据
- 完成核心实验10、11、12，计算色谱法的Rf值
- 评估人为气候变化以及造林等缓解策略

## 光合作用反应与核心实验10

光合作用分解水释放氧气，将氢与二氧化碳结合以将能量储存在葡萄糖中，并通过光合磷酸化产生ATP供即时使用。该反应分为两个关联的阶段：光反应阶段和暗反应阶段（卡尔文循环）。

光反应阶段利用光激发叶绿素电子，产生ATP并还原NADP。循环和非循环光合磷酸化都可以产生ATP，但只有非循环光合磷酸化能产生还原型NADP并分解水（光解）释放氧气。暗反应阶段利用RUBISCO固定二氧化碳，生成GP，GP利用ATP和还原型NADP转化为GALP。GALP可用于合成葡萄糖，或再生RuBP以维持循环进行。

**Rf值** — 色素在色谱纸上移动的距离与溶剂前沿移动距离的比值，恒小于等于1。

*例:* 如果色素移动了2cm，溶剂移动了5cm，则Rf=0.4

$$R_f = \frac{\text{Distance travelled by pigment}}{\text{Distance travelled by solvent front}}$$

**例题:** 一名学生开展叶片色素色谱实验，溶剂前沿移动了7.5cm，胡萝卜素移动了6.75cm。计算胡萝卜素的Rf值。

1. 步骤1：回忆Rf计算公式
2. $$R_f = \frac{\text{Pigment distance}}{\text{Solvent distance}}$$
3. 步骤2：代入题目给出的数值
4. $$R_f = \frac{6.75}{7.5} = 0.9$$
5. 步骤3：确认数值小于等于1，符合要求，计算有效。

核心实验10探究光照强度、波长、温度和二氧化碳浓度对光合作用速率的影响，通过计数氧气气泡或测量二氧化碳吸收量来测定。控制变量包括植物种类、水体积和实验时长。

> **考试提示:** 仅使用考纲认可的卡尔文循环中间产物名称：GP、GALP、RuBP、RUBISCO。使用G3P等替代名称不会得分。务必说明氧气来自水的光解，而非二氧化碳。

## 生态系统能量流动与核心实验11

能量通过营养级（生产者→初级消费者→次级消费者→分解者）在生态系统中流动。只有约10-20%的能量能在相邻营养级之间传递，大部分能量通过呼吸作用以热量形式散失、随废物排出或存在于未被利用的生物量中。

**净初级生产量 (NPP)** — 储存在植物生物量中可被下一营养级利用的能量，计算方式为GPP减去呼吸作用损失(R)。

*记法:* NPP = GPP - R

$$\text{Energy Transfer Efficiency (\%)} = \frac{E_{\text{current trophic level}}}{E_{\text{previous trophic level}}} \times 100$$

**例题:** 一片麦田的GPP为32000 kJ m⁻² yr⁻¹，植物呼吸损失(R)为14000 kJ m⁻² yr⁻¹。蚜虫（初级消费者）从小麦中吸收2700 kJ m⁻² yr⁻¹的能量。计算NPP以及从小麦到蚜虫的能量传递百分比。

1. 步骤1：使用公式计算NPP
2. $$NPP = 32000 - 14000 = 18000 \text{ kJ m}^{-2} \text{yr}^{-1}$$
3. 步骤2：将NPP作为生产者能量值用于传递效率计算
4. $$\text{Efficiency} = \frac{2700}{18000} \times 100 = 15\%$$
5. 步骤3：为所有最终数值添加单位以获得全部分数。

核心实验11使用样方和样线法测量物种丰度与分布，同时测量pH、温度和光照强度等非生物因素。均匀栖息地使用随机样方，海岸等存在环境梯度的栖息地使用样带法。

> **考试提示:** 能量计算务必展示完整推导过程，所有数值都要标注正确单位。推导过程、单位和最终答案都会单独给分。

## 气候变化证据与核心实验12

气候变化的证据包括来自冰芯的长期二氧化碳记录、树木年轮生长（树木年代学）以及泥炭沼泽中保存的花粉。二氧化碳水平与温度的相关性不能直接证明因果关系，但多组证据共同支持人为（人类活动导致的）气候变化由温室气体排放引发。

**Q10** — 衡量温度每升高10°C反应速率提升幅度的指标，用于量化温度对酶促生物过程的影响。生物反应的典型Q10值为1-4。

*记法:* Q10 = Rate(T+10°C) / Rate(T°C)

**例题:** 毛毛虫在18°C时的生长速率为每周1.2g，在28°C时的生长速率为每周2.7g。计算毛毛虫生长的Q10值。

1. 步骤1：回忆Q10计算公式
2. $$Q_{10} = \frac{\text{Rate}(T+10^\text{C})}{\text{Rate}(T^\text{C})}$$
3. 步骤2：代入题目给出的数值
4. $$Q_{10} = \frac{2.7}{1.2} = 2.25$$
5. 步骤3：确认数值处于生物反应预期的1-4范围内。

核心实验12探究温度对生物发育的影响（例如种子萌发、昆虫幼虫生长）。伦理考量包括尽量减少对实验生物的伤害，实验结束后将它们放回自然栖息地。

> **考试提示:** 考试中经常要求你评价气候变化模型的局限性：常见局限性包括历史数据不完整、未考虑的变量、以及对未来人类排放的不确定性。

## 演替、物种形成与气候变化缓解

演替是群落结构随时间发生的渐进变化，从先锋物种拓殖裸地开始，最终形成稳定的顶极群落。物种的生态位（它在生态系统中的角色，包括与生物和非生物因素的相互作用）决定了它的分布与丰度。

**物种形成** — 通过突变和自然选择形成新物种的过程，最终导致种群之间产生生殖隔离。主要分为两类：异域物种形成和同域物种形成。

**例题:** 两个甲虫种群被新形成的峡谷分隔20万年。当重新接触时，它们无法再交配产生可育后代。请指出该物种形成的类型并说明理由。

1. 步骤1：识别隔离机制：地理屏障（峡谷）分隔了两个种群。
2. 步骤2：将隔离机制对应到物种形成类型：异域物种形成。
3. 步骤3：说明理由：异域物种形成发生在地理隔离阻断种群间基因交流时，导致遗传差异不断累积，最终产生生殖隔离。

气候变化缓解策略包括造林（增加碳封存）和可持续生物燃料生产（减少化石燃料排放）。与异域物种形成不同，同域物种形成不存在地理隔离，例如种群在同一栖息地内形成不同的交配季节或取食偏好。

> **考试提示:** 不要混淆异域和同域物种形成：首先判断是否存在地理屏障，这是二者的核心区分特征。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称光合作用释放的氧气来自二氧化碳
  - 原因: 关于光合作用氧气来源的常见错误概念
  - 正确做法: 务必说明氧气是光反应中水的光解产生的
- **错误做法:** 使用考纲未认可的卡尔文循环中间产物名称（例如用G3P代替GALP）
  - 原因: 评分标准仅为考纲明确指定的术语给分
  - 正确做法: 指代卡尔文循环组分时仅使用GP、GALP、RuBP、RUBISCO
- **错误做法:** 计算生产者到初级消费者的能量传递时使用GPP而非NPP
  - 原因: GPP包含植物呼吸作用损失的能量，这部分能量无法被消费者利用
  - 正确做法: 计算传递效率时始终将NPP作为生产者的能量值
- **错误做法:** 将生殖隔离仅与同域物种形成关联，混淆异域和同域物种形成
  - 原因: 两种物种形成都会产生生殖隔离，差异在于初始的隔离机制
  - 正确做法: 异域物种形成=先出现地理屏障，同域物种形成=无地理隔离直接产生生殖隔离
- **错误做法:** Rf值计算时用溶剂距离除以色素距离，得到大于1的数值
  - 原因: 颠倒了Rf公式的分子和分母
  - 正确做法: Rf=色素移动距离/溶剂移动距离，数值恒小于等于1
- **错误做法:** NPP、能量传递和Q10计算时遗漏单位
  - 原因: 评分标准为正确单位单独设置得分点
  - 正确做法: 答案中所有计算得到的数值都要标注合适的单位

## 速查表

| 概念 | 公式/核心定义 | 考试提示 |
| --- | --- | --- |
| Rf值 | 色素移动距离 / 溶剂移动距离 | 恒小于等于1，无单位 |
| NPP | GPP - R | R=生产者呼吸损失，单位 kJ m⁻² yr⁻¹ |
| 能量传递效率 | （当前营养级能量 / 上一营养级能量）× 100 | 生产者层级使用NPP，单位 % |
| Q10 | 速率(T+10°C) / 速率(T°C) | 生物反应数值约为1-4，无单位 |
| 异域物种形成 | 通过地理隔离发生的物种形成 | 题目中寻找山脉、河流、峡谷等屏障 |
| 同域物种形成 | 无地理隔离发生的物种形成 | 先出现生殖隔离，例如不同的交配季节 |
| 光合作用氧气来源 | 水的光解 | 常见干扰项是二氧化碳 |

## 下一步

掌握Edexcel IAL生物第4单元第5主题的内容后，你可以开始学习第6主题：微生物学、免疫学与法医学，即WBI14考试内容的后半部分。你应当先练习以光合作用计算、能量传递和气候变化评估为核心的历年真题以巩固知识，特别注意'评估'和'说明理由'等高权重的考试指令词。确保你能完整描述全部三个核心实验，包括变量、实验方法和常见局限性，这些内容在每3份第4单元试卷中至少出现1次。如果你对Q10计算或物种形成概念有困难，可以回顾IAS阶段的酶和遗传学相关内容。

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