112選生四－2-4生態系２能量流轉的討論教學

前面的第一節課是112選生四－2-1生態學與2-4生態系的交互作用

第二節課的主軸是能量流轉與物質循環

一般比較常見的上法是

前面講完

• 生態系的定義是環境＋生物組成的系統
• 生態系的非生物因子與生物因子會交互影響，然後舉幾個例子

然後就是

• 說明生態系裡會有能量流轉與物質循環
• 因為是透過食物鏈的吃與被吃
• 接著就直接講能量流轉與物質循環

我的上法是

從物種的交互作用對生態系的影響切進能量流轉與物質循環。

在這邊會連帶先串起後面群集會講的掠食、競爭、共生與寄生。

（別忘了我是倒過來上，學生是先學生態系，這時還沒上過群集）

（其實這邊有個很大的重點，就是不能讓學生覺得生態學好像跟國中學的差不多）
（下面會看到三個討論讓學生嚇一跳地發現原來是自己以為自己懂，但其實不懂）

（用了幾個元素來讓學生engaged，挑戰教育夥伴可以留意看看）

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我們前面有說，在一個生態系中，非生物因子是先決的、是決定性的。

不過，生物因子對生態系的影響也還是有的。

只是，環境都是存在的，不論這些影響是什麼、怎麼影響。

真的不騙你，生物因子的影響沒有很大啦。

像是這四種交互作用，只有掠食是比較主要的影響。所以我們等一下的時間大概都繞掠食「對生態系」造成的影響。

第二個是競爭，這只是決定兩個物種間誰留下來影響生態系。

共生跟寄生更是「對生態系」沒什麼影響啊！所以我們這邊根本不會提到這兩個，是在下一節課，專門教群集時，才會多些時間介紹。

競爭的部分，什麼叫做決定誰留下來？

每種生物都有各種需求，像是水、光線、空間、濕度等等，這些條件的交集，就是這個生物在生態系裡的抽象位置，我們叫做生態區位。

當兩個生物的各種需求很接近的時候，就會彼此競爭，贏的就留下來。

這邊就用課本上的兩種槭樹與草履蟲做例子（從後面群集的部分拿過來講）

所以才會說，對生態系的影響只有誰競爭贏，留在生態系而已。

那，讓我們專心來看掠食對生態系的影響吧（掠食本身放在後面的群集講喔）

小時候大家都學過食物網，但不知道那有什麼用，除了算是哪一級的消費者之外。

但如果加上食性關係的程度，就可以拿來判斷關鍵種。

像這個斑馬，因為是很多生物的食物，所以如果發生數量的變動，對整個生態系都會有很大的影響。

而食性關係也決定了生態系裡的能量與物質怎麼走。（這邊才提到能量與物質）

在一個生態系裡，要維持這兩類的運作，只需要生產者與分解者就好。

因為生產者能靠自己就把無機物變成有機物，而分解者能把有機物變成無機物。

就物質與能量的運作來看，是不需要消費者的喔。

那麼，「動物會進行呼吸作用，將葡萄糖變成二氧化碳，也是有機物變成無機物，為什麼不算分解者呢？」

這邊會停大約三分鐘，讓學生在心裡準備一個答案。

因為生產者與分解者是功能上的定義。

以分解者來說，是整個系統的生物都依賴他們將有機物變成無機物。

誰呢？是腐生細菌跟腐生真菌。

他們有海量的酵素種類，幾乎什麼有機物都可以分解。

木頭裡的木質素、塑膠裡的聚合物，都有對應的酵素可以分解。

如果沒有他們，很多物質與能量會被卡在生物體內，無法回到無機狀態。

但動物只能分解少數糖類、脂質與蛋白質，這個系統即使沒有動物，也還是能將有機物變回無機物。

因此，在功能上，動物不被依賴作為分解者。

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吃與被吃的關係裡，除了有機、無機之間的轉換外，還有能量的轉移。

（這邊會連回去選修生物一時教過的自由能喔）

生態學家發現，如果我們用食性分層，那麼每一層的「吃」大約都只有十分之一的能量會被吃到！

因為只有變成我們身體一部分的那些能量，可以被掠食者吃到啊。

想想，也還好只有十分之一欸。

如果我們每天吃進去的1500(女生)~2500(男生)卡都存在物質中、留在身體裡，那麼每天就會增加130~270公克的脂肪，五天就增加一公斤，一年就會增加72公斤的脂肪！！

（等學生想通後大笑）

不過，能量去哪裡了呢？

所以我問了四個問題，請小組選一個進行討論，然後分享討論的過程

（不是結果，只要講有討論到什麼就好。這可以避開學生覺得好像一定要是正確的答案）
（當然老師在接話時，就不能以哪個是正確的去接話）

這四個問題是

1. 9/10的能量去哪兒了？
2. 既然課本上以熱能散失描述，那麼，這個世界為什麼沒有越來越熱？？
3. 能量的轉移是單向還是雙向？
4. 為什麼能量不能循環？

學生多半討論是第一與第三個問題。

讓十個小組都分享完，再一起梳理。

在這邊有幾個隱藏的重點，是在接學生的回答時，可以留意並追問一些細節。

• 確保學生「真的認知到」運動以外的耗能有哪些。
  
• 用上面的自由能解釋能量為什麼不能循環。
  
• 連結到細胞學時，對呼吸作用的能量轉移效率的學習。
  
• 澄清是以系統尺度來觀察能量（與個體層次區別）。

例如（要依據學生分享的內容來調整）

剛剛講的運動會消耗熱能的意思是什麼呢？
（大多學生只是直覺運動會耗能，但說不出細胞級的機制）

其實是肌肉在收縮的時候，有肌絲蛋白的變形、滑動（記得用手比劃動作）。
而肌絲蛋白的變形是要透過ATP轉移磷酸跟與自由能才能完成的。

還記得嗎？（一邊在白板上寫下呼吸作用的化學式）
我們在細胞學時曾經帶大家算過葡萄糖中的能量只有很少一部分轉移到ATP中
（要算給學生看，雖然學生多半都有在點頭表示有記得）

這麼一來，身體裡所有會用到ATP的活動，都會造成能量散失，像是主動運輸。
也就是神經細胞內外的離子濃度差、每個細胞的物質進出都會造成散失，才會有90％這麼高啊。

（這邊如果不這樣帶學生算過，那麼學生只是把課本上說「運動、主動運輸」給背下來）


而這些沒有被轉移到ATP的能量是以熱能形式散失

因為熱能是亂度最大的能量形式（把我們在高二講的東西簡單說一下），無法再被轉為光能，所以不能被植物吸收喔

（鎢絲燈是電能轉光能＋熱能喔）

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從上一張投影片說明，這也是為什麼生態系多半只有四層，因為到上面的能量就超級少了。

不過很奇怪的是，海洋中竟然可以到七級！

為什麼呢？

而且海洋還不止這邊奇怪喔。

我們剛剛用食性做的金字塔是用能量為主題

也可以用生物總重量或數量為主題。

如果是生物總重量，那麼也會正向的金字塔型。
因為能量越多，理論上形成的總重量也越大。

數量會出現第一層比較小也不難想像，因為一棵大樹上會有很多昆蟲。

但是，水域生態系又是奇怪的了。

竟然它的生物量塔會是下面比較小！！

為什麼呢？？？

是水域生態系不用遵守能量與物質的定理嗎？？？

還是生物量塔有什麼前提假設，會造成這樣的現象？？

這邊就留大約五分鐘讓學生想，然後以全班尺度邀請分享就好。

（學生的回答常常很有趣，也展示了他們對能量和物質之間的混淆）

最後再提供常見的說法。

不過要注意，課本上的只是說法，並沒有辦法驗證喔。

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第三節課是物質循環，也埋了讓學生engaged的元素喔