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Ecologia

Biologia do AP · Topic 8 · ⁨Tópico 8⁩

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7:53

Ecologia

Este recife abriga mais tipos de vida em um hectare do que uma província inteira de terras agrícolas. Todo peixe depende do coral, e o coral de algas minúsculas dentro dele.…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas⁩

8.1

Responses to the Environment · ⁨Respostas ao Ambiente⁩
Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 8.1.A: Explain how the behavioral and physiological response of an organism is related to changes in internal or external environment.

  • 8.1.A.1 Organisms respond to changes in their environment through behavioral and physiological mechanisms.
    • Exclusion statement: Knowledge of specific behavioral or physiological mechanisms is beyond the scope of the AP Exam.
    • Illustrative examples for 8.1.A.1:
      • Photoperiodism and phototropism in plants
      • Taxis and kinesis in animals
      • Nocturnal and diurnal activity
  • 8.1.A.2 Organisms exchange information with one another in response to internal changes and external cues, which can change behavior.
    • Illustrative examples for 8.1.A.2:
      • Fight-or-flight response
      • Predator warnings
      • Plant responses to herbivory

Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

Learning Objective 8.1.B: Explain how the behavioral responses of organisms affect their overall fitness and may contribute to the success of a population.

  • 8.1.B.1 Organisms communicate through various mechanisms (visual, audible, tactile, electrical, and/or chemical signals).
    • i. Organisms have a variety of signaling behaviors that produce changes in the behavior of other organisms and can result in differential reproductive success.
    • ii. Animals use signals to indicate dominance, find food, establish territory, and ensure reproductive success.
    • Exclusion statement: Knowledge of specific mechanisms of communication is beyond the scope of the AP Exam.
    • Illustrative examples for 8.1.B.1:
      • Territorial marking in mammals
      • Coloration in flowering plants and animals
      • Bird songs
      • Pack behaviors in animals
      • Predatory warnings
  • 8.1.B.2 Responses to information and communication of information are vital to natural selection and evolution.
    • i. Fitness favors innate and learned behaviors that increase survival and reproductive success.
    • ii. Cooperative behavior tends to increase the fitness of the individual and the survival of the population.
    • Exclusion statement: The details of the various communications and community behavioral systems are beyond the scope of the AP Exam.
    • Illustrative examples for 8.1.B.2.i:
      • Parent and offspring interactions
      • Courtship and mating behaviors
      • Foraging by bees and other animals
    • Illustrative examples for 8.1.B.2.ii:
      • Pack behavior in animals
      • Herd, flock, and schooling behavior in animals
      • Predator warnings
      • Colony and swarming behavior in insects
      • Kin selection
Português

Grande Ideia 2 — Energetica: Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 8.1.A: Explicar como a resposta comportamental e fisiológica de um organismo está relacionada a mudanças no ambiente interno ou externo.

  • 8.1.A.1 Organismos respondem a mudanças em seu ambiente através de mecanismos comportamentais e fisiológicos.
    • Declaração de exclusão: O conhecimento de mecanismos comportamentais ou fisiológicos específicos está fora do escopo do Exame AP.
    • Exemplos ilustrativos para 8.1.A.1:
      • Fotoperiodismo e fototropismo em plantas
      • Taxia e quinésia em animais
      • Atividade noturna e diurna
  • 8.1.A.2 Organismos trocam informações uns com os outros em resposta a mudanças internas e estímulos externos, o que pode alterar o comportamento.
    • Exemplos ilustrativos para 8.1.A.2:
      • Resposta de luta ou fuga
      • Alertas contra predadores
      • Respostas de plantas à herbivoria

Grande Ideia 3 — Armazenamento e Transmissão de Informações: Sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem a informações essenciais aos processos vitais.

Objetivo de Aprendizagem 8.1.B: Explicar como as respostas comportamentais dos organismos afetam sua aptidão geral e podem contribuir para o sucesso de uma população.

  • 8.1.B.1 Organismos se comunicam através de vários mecanismos (sinais visuais, auditivos, táteis, elétricos e/ou químicos).
    • i. Organismos têm uma variedade de comportamentos de sinalização que produzem mudanças no comportamento de outros organismos e podem resultar em sucesso reprodutivo diferencial.
    • ii. Animais usam sinais para indicar dominância, encontrar alimento, estabelecer território e garantir o sucesso reprodutivo.
    • Declaração de exclusão: O conhecimento de mecanismos específicos de comunicação está fora do escopo do Exame AP.
    • Exemplos ilustrativos para 8.1.B.1:
      • Marcação territorial em mamíferos
      • Coloração em plantas florais e animais
      • Canções de pássaros
      • Comportamentos de manada em animais
      • Alertas predatórios
  • 8.1.B.2 Respostas à informação e comunicação de informações são vitais para a seleção natural e a evolução.
    • i. A aptidão favorece comportamentos inatos e aprendidos que aumentam a sobrevivência e o sucesso reprodutivo.
    • ii. O comportamento cooperativo tende a aumentar a aptidão do indivíduo e a sobrevivência da população.
    • Declaração de exclusão: Os detalhes dos vários sistemas de comunicação e comportamentais comunitários estão fora do escopo do Exame AP.
    • Exemplos ilustrativos para 8.1.B.2.i:
      • Interações entre pais e filhotes
      • Comportamentos de cortejo e acasalamento
      • Forrageamento por abelhas e outros animais
    • Exemplos ilustrativos para 8.1.B.2.ii:
      • Comportamento de manada em animais
      • Comportamento de rebanho, bandada e cardume em animais
      • Alertas contra predadores
      • Comportamento de colônia e enxame em insetos
      • Seleção de kin

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Organisms sense and respond to their surroundings in ways that aid survival and reproduction. Behaviors may be innate (inherited, like reflexes and instincts) or learned. Responses such as migration, hibernation, and phototropism, and signals between organisms, are shaped by natural selection because they improve fitness.

The behaviours the CED lists by name

These are the illustrative behaviours an exam question builds its scenario from, so learn what each one is and what it buys the organism:

Behaviour What it is Why it aids fitness
taxis 趋性 movement directed towards or away from a stimulus reaches food, light or moisture, or escapes a hazard
kinesis 动性 a change in the rate of random movement, with no direction keeps the animal in favourable conditions by moving less there and more elsewhere
nocturnal and diurnal activity 夜行性与昼行性 being active at night, or by day avoids predators or heat, and matches activity to when food is available
territorial marking 领域标记 scent, sound or visual marks that claim an area secures food, nesting sites and mates without repeated fighting
coloration 体色 pigmentation in animals and flowering plants warning, camouflage, mate attraction — and in flowers, attracting pollinators
foraging 觅食 by bees and others searching for and collecting food efficient foraging returns more energy than it costs, which is what selection acts on

⚠️ Taxis and kinesis are the pair most often confused. Taxis has a direction: the woodlouse walks towards the damp. Kinesis has only a rate: the woodlouse moves quickly and turns often in dry air and slows down in damp air, so it ends up in the damp without ever steering there.

Life-history strategy 生活史策略 is the pattern of when an organism grows, reproduces and dies, and it too is shaped by selection: a biennial plant stores resources in its first year and flowers in its second; reproductive diapause pauses development until conditions improve, so offspring arrive when they can survive. Both trade the timing of reproduction against the chance that it succeeds.

Português

Os organismos percebem e respondem ao seu entorno de maneiras que auxiliam a sobrevivência e a reprodução. Comportamentos podem ser inerentes (herdados, como reflexos e instintos) ou aprendidos. Respostas como migração, hibernação e fototropismo, e sinais entre organismos, são moldadas pela seleção natural porque melhoram a aptidão.

Girasóis viram-se para a luz: organismos detectam e respondem a estímulos ambientais
Girasóis viram-se para a luz: organismos detectam e respondem a estímulos ambientais

Os comportamentos listados pelo CED por nome

Estes são os comportamentos ilustrativos de que uma questão de exame constrói seu cenário, então aprenda o que cada um é e o que ele proporciona ao organismo:

Comportamento O que é Por que auxilia a aptidão
táxis 趋性 movimento dirigido para ou longe de um estímulo alcança alimento, luz ou umidade, ou escapa de um perigo
quinésia 动性 uma mudança na taxa de movimento aleatório, sem direção mantém o animal em condições favoráveis movendo-se menos ali e mais em outro lugar
atividade noturna e diurna 夜行性与昼行性 estar ativo à noite ou durante o dia evita predadores ou calor, e sincroniza a atividade com a disponibilidade de alimento
marcação territorial 领域标记 marcas de odor, som ou visuais que reivindicam uma área garante alimento, locais de nidificação e parceiros sem lutas repetidas
coloração 体色 pigmentação em animais e plantas floridas aviso, camuflagem, atração de parceiros – e em flores, atrai polinizadores
forrageamento 觅食 por abelhas e outros procurando e coletando alimentos forrageamento eficiente retorna mais energia do que custa, o que é o que a seleção atua

⚠️ Táxis e quinésia são o par mais frequentemente confundido. Táxis tem uma direção: o isópodo anda em direção à umidade. Quinésia tem apenas uma taxa: o isópodo move-se rapidamente e vira frequentemente no ar seco e desacelera no ar úmido, terminando assim na umidade sem jamais direcionar-se lá.

Estratégia de história de vida 生活史策略 é o padrão de quando um organismo cresce, reproduz e morre, e também é moldado pela seleção: uma planta biennial armazena recursos no primeiro ano e floresce no segundo; diapasão reprodutivo pausa o desenvolvimento até que as condições melhorem, para que a prole nasça quando puder sobreviver. Ambos trocam o momento da reprodução contra a chance de sucesso.

8.2

Energy Flow Through Ecosystems · ⁨Fluxo de Energia nos Ecossistemas⁩
Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 8.2.A: Describe the strategies organisms use to acquire and use energy.

  • 8.2.A.1 Organisms use energy to organize, grow, reproduce, and maintain homeostasis.
    • i. Organisms use different strategies to regulate body temperature and metabolism. Endotherms use thermal energy generated by metabolism to maintain homeostatic body temperatures. Ectotherms lack efficient internal mechanisms for maintaining body temperature, although they may regulate their temperature behaviorally by moving into the sun or shade or by aggregating with other individuals.
    • ii. A net gain in energy results in energy storage, the growth of an organism, and increased reproductive output.
    • iii. A net loss of energy results in loss of mass, a decrease in reproductive output, and, eventually, the death of an organism.
  • 8.2.A.2 Different organisms use various reproductive strategies in response to energy availability. Some organisms alternate between asexual and sexual reproduction in response to energy availability.
    • Illustrative examples for 8.2.A:
      • Seasonal reproduction in animals and plants
      • Life-history strategy (biennial plants, reproductive diapause)

Learning Objective 8.2.B: Explain how energy flows and matter cycles through trophic levels.

  • 8.2.B.1 Ecological levels of organization include populations, communities, ecosystems, and biomes.
  • 8.2.B.2 Energy flows through ecosystems, while matter and nutrients cycle between the environment and organisms via biogeochemical cycles. The cycles are essential for life, and each cycle demonstrates the conservation of matter. The cycles are interdependent.
  • 8.2.B.3 Biogeochemical cycles include abiotic and biotic reservoirs, as well as processes that cycle matter between reservoirs.
  • 8.2.B.4 The hydrologic (water) cycle involves water movement and storage within the hydrosphere. Reservoirs include oceans, surface water, the atmosphere, and living organisms. Processes include evaporation, condensation, precipitation, and transpiration.
  • 8.2.B.5 The carbon cycle involves recycling carbon atoms through Earth's biosphere into organisms as carbohydrates and back into the atmosphere as carbon dioxide $\left(\mathrm{CO_2}\right)$. At the highest levels of organization, the carbon cycle can be simplified into four parts: photosynthesis, cellular respiration, decomposition, and combustion.
  • 8.2.B.6 The nitrogen cycle involves several steps, including nitrogen fixation, assimilation, ammonification, nitrification, and denitrification. These steps are performed by microorganisms in the soil. The largest reservoir of nitrogen is the atmosphere. In nitrogen fixation, nitrogen gas $\left(\mathrm{N_2}\right)$ is fixed into ammonia $\left(\mathrm{NH_3}\right)$, which ionizes to ammonium $\left(\mathrm{NH_4^+}\right)$ by acquiring hydrogen ions from the soil solution.
  • 8.2.B.7 The phosphorus cycle involves weathering rocks releasing phosphate $\left(\mathrm{PO_4^{3-}}\right)$ into soil and groundwater. Producers take in phosphate, which is incorporated into biological molecules; consumers eat producers, transferring phosphate to animals. Phosphorus returns to the soil via decomposition of biomass, or excretion. Phosphate can also be incorporated back into the environment via decomposition of decaying organic matter.

Learning Objective 8.2.C: Explain how changes in energy availability affect populations, communities, and ecosystems.

  • 8.2.C.1 Changes in energy availability can result in changes in population size.
  • 8.2.C.2 Changes in energy availability can result in disruptions to an ecosystem.
    • i. A change in energy resources such as sunlight can affect the number and size of the trophic levels. Trophic levels include producers; primary, secondary, tertiary, and quaternary consumers; and decomposers.
    • ii. A change in the biomass or number of producers in a given geographic area can affect the number and size of other trophic levels.

Learning Objective 8.2.D: Explain how the activities of autotrophs and heterotrophs enable the flow of energy within an ecosystem.

  • 8.2.D.1 Autotrophs capture energy from physical or chemical sources in the environment.
    • i. Photosynthetic organisms capture energy present in sunlight contributing to primary productivity.
    • ii. Chemosynthetic organisms capture energy from small inorganic molecules present in their environment, which can occur in the absence of oxygen.
  • 8.2.D.2 Heterotrophs, which include carnivores, herbivores, omnivores, decomposers, and scavengers, metabolize carbohydrates, lipids, and proteins as sources of energy. Heterotrophs capture the energy present in carbon compounds by consuming organic matter derived from autotrophs incorporating matter into their tissues.
Português

Grande Ideia 2 — Energetica: Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 8.2.A: Descrever as estratégias que os organismos usam para adquirir e usar energia.

  • 8.2.A.1 Organismos usam energia para organizar-se, crescer, reproduzir-se e manter a homeostase.
    • i. Organismos usam diferentes estratégias para regular a temperatura corporal e o metabolismo. Endotermos usam energia térmica gerada pelo metabolismo para manter temperaturas corporais homeostáticas. Ectotermos carecem de mecanismos internos eficientes para manter a temperatura corporal, embora possam regular sua temperatura comportalmente movendo-se para o sol ou sombra ou agregando-se com outros indivíduos.
    • ii. Um ganho líquido de energia resulta em armazenamento de energia, crescimento do organismo e aumento da produção reprodutiva.
    • iii. Uma perda líquida de energia resulta em perda de massa, diminuição da produção reprodutiva e, eventualmente, morte do organismo.
  • 8.2.A.2 Diferentes organismos usam várias estratégias reprodutivas em resposta à disponibilidade de energia. Alguns organismos alternam entre reprodução assexuada e sexuada em resposta à disponibilidade de energia.
    • Exemplos ilustrativos para 8.2.A:
      • Reprodução sazonal em animais e plantas
      • Estratégia de história de vida (plantas bienais, diapausa reprodutiva)

Objetivo de Aprendizagem 8.2.B: Explicar como a energia flui e a matéria circula pelos níveis tróficos.

  • 8.2.B.1 Os níveis ecológicos de organização incluem populações, comunidades, ecossistemas e biomas.
  • 8.2.B.2 A energia flui através dos ecossistemas, enquanto a matéria e os nutrientes circulam entre o ambiente e os organismos via ciclos biogeoquímicos. Os ciclos são essenciais para a vida, e cada ciclo demonstra a conservação da matéria. Os ciclos são interdependentes.
  • 8.2.B.3 Os ciclos biogeoquímicos incluem reservatórios abióticos e bióticos, bem como processos que circulam a matéria entre reservatórios.
  • 8.2.B.4 O ciclo hidrológico (água) envolve o movimento e armazenamento de água dentro da hidrosfera. Reservatórios incluem oceanos, águas superficiais, atmosfera e organismos vivos. Processos incluem evaporação, condensação, precipitação e transpiração.
  • 8.2.B.5 O ciclo do carbono envolve o reciclagem de átomos de carbono através da biosfera da Terra para os organismos como carboidratos e de volta para a atmosfera como dióxido de carbono $\left(\mathrm{CO_2}\right)$. Nos níveis mais altos de organização, o ciclo do carbono pode ser simplificado em quatro partes: fotossíntese, respiração celular, decomposição e combustão.
  • 8.2.B.6 O ciclo do nitrogênio envolve várias etapas, incluindo a fixação do nitrogênio, assimilação, amonificação, nitrificação e desnitrificação. Essas etapas são realizadas por microrganismos no solo. O maior reservatório de nitrogênio é a atmosfera. Na fixação do nitrogênio, o gás nitrogênio $\left(\mathrm{N_2}\right)$ é fixado em amônia $\left(\mathrm{NH_3}\right)$, que se ioniza em íons amônio $\left(\mathrm{NH_4^+}\right)$ ao adquirir íons hidrogênio da solução do solo.
  • 8.2.B.7 O ciclo do fósforo envolve a intemperização de rochas liberando fosfato $\left(\mathrm{PO_4^{3-}}\right)$ no solo e nas águas subterrâneas. Os produtores absorvem fosfato, que é incorporado em moléculas biológicas; os consumidores se alimentam dos produtores, transferindo o fósforo para os animais. O fósforo retorna ao solo via decomposição da biomassa ou excreção. O fosfato também pode ser reincorporado ao ambiente através da decomposição de matéria orgânica em decomposição.

Objetivo de Aprendizagem 8.2.C: Explicar como mudanças na disponibilidade de energia afetam populações, comunidades e ecossistemas.

  • 8.2.C.1 Mudanças na disponibilidade de energia podem resultar em alterações no tamanho da população.
  • 8.2.C.2 Mudanças na disponibilidade de energia podem resultar em perturbações em um ecossistema.
    • i. Uma mudança nos recursos energéticos, como a luz solar, pode afetar o número e o tamanho dos níveis tróficos. Os níveis tróficos incluem produtores; consumidores primários, secundários, terciários e quaternários; e decompositores.
    • ii. Uma mudança na biomassa ou no número de produtores em uma área geográfica específica pode afetar o número e o tamanho de outros níveis tróficos.

Objetivo de Aprendizagem 8.2.D: Explicar como as atividades de autotrofes e heterotrofes permitem o fluxo de energia dentro de um ecossistema.

  • 8.2.D.1 Autotrofes capturam energia de fontes físicas ou químicas no ambiente.
    • i. Organismos fotossintetizantes capturam a energia presente na luz solar, contribuindo para a produtividade primária.
    • ii. Organismos quimiossintetizantes capturam energia de pequenas moléculas inorgânicas presentes em seu ambiente, o que pode ocorrer na ausência de oxigênio.
  • 8.2.D.2 Heterotrofes, que incluem carnívoros, herbívoros, onívoros, decompositores e carroeiros, metabolizam carboidratos, lipídios e proteínas como fontes de energia. Heterotrofes capturam a energia presente em compostos de carbono consumindo matéria orgânica derivada de autotrofes e incorporando matéria em seus tecidos.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Energy enters most ecosystems 生态系统 as sunlight, is captured by producers 生产者 (photosynthesizers), and passes to consumers 消费者 along a food chain 食物链. Each level is a trophic level 营养级. Only about 10% of energy transfers up each level (the rest is lost as heat), so food chains are short and producers are the most abundant. Energy flows through and is lost, while matter (carbon, nitrogen) cycles.

Worked example. Suppose producers capture $10{,}000\ \text{kcal}$. Applying the $10\%$ rule, primary consumers receive about $1{,}000\ \text{kcal}$, secondary consumers $100\ \text{kcal}$, and tertiary consumers only $10\ \text{kcal}$. Losing $90\%$ as heat at every step is exactly why food chains rarely exceed four or five levels – there is too little energy left to support another.

Português

A energia entra na maioria dos ecossistemas 生态系统 como luz solar, é capturada por produtores 生产者 (fotossintetizadores) e passa aos consumidores 消费者 ao longo de uma cadeia alimentar 食物链. Cada nível é um nível trófico 营养级. Apenas cerca de 10% da energia é transferida para cima em cada nível (o resto é perdido como calor), portanto as cadeias alimentares são curtas e os produtores são os mais abundantes. A energia flui através e é perdida, enquanto a matéria (carbono, nitrogênio) cicla.

Apenas cerca de 10% da energia passa para o próximo nível trófico
Apenas cerca de 10% da energia passa para o próximo nível trófico

Exemplo resolvido. Suponha que os produtores capturem $10{,}000\ \text{kcal}$. Aplicando a regra de $10\%$, os consumidores primários recebem cerca de $1{,}000\ \text{kcal}$, secundários $100\ \text{kcal}$, e terciários apenas $10\ \text{kcal}$. Perder $90\%$ como calor em cada etapa é exatamente por que as cadeias alimentares raramente excedem quatro ou cinco níveis – não há energia suficiente restante para sustentar outra.

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Energia em uma cadeia alimentar

Apenas cerca de 10% da energia passa para o próximo nível trófico; o resto é perdido como calor. É por isso que as cadeias alimentares são curtas e os predadores de topo são poucos.

8.3

Population Ecology · ⁨Ecologia de Populações⁩
Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

Learning Objective 8.3.A: Describe factors that influence growth dynamics of populations.

  • 8.3.A.1 Populations comprise individual organisms of the same species that interact with one another and with the environment in complex ways.
  • 8.3.A.2 Many adaptations in organisms are related to obtaining and using energy and matter in a particular environment.
    • i. Population growth dynamics depend on birth rate, death rate, and population size.
      • Equation: Population Growth — $\dfrac{dN}{dt} = B - D$ where $dt$ = chage in time; $B$ = birth rate; $D$ = death rate; $N$ = population size; $dN$ = change in population size
    • ii. Reproduction without constraints results in the exponential growth of a population.
      • Equation: Exponential Growth — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N$ where $dt$ = change in time; $N$ = population size; $dN$ = change in population size; $r_{max}$ = maximum per capita growth rate of population
Português

Grande Ideia 3 — Armazenamento e Transmissão de Informações: Sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem a informações essenciais aos processos vitais.

Objetivo de Aprendizagem 8.3.A: Descrever fatores que influenciam a dinâmica de crescimento das populações.

  • 8.3.A.1 Populações compreendem organismos individuais da mesma espécie que interagem entre si e com o ambiente de maneiras complexas.
  • 8.3.A.2 Muitas adaptações em organismos estão relacionadas à obtenção e uso de energia e matéria em um ambiente particular.
    • i. A dinâmica de crescimento populacional depende da taxa de natalidade, taxa de mortalidade e tamanho da população.
      • Equação: Crescimento Populacional — $\dfrac{dN}{dt} = B - D$ onde $dt$ = mudança no tempo; $B$ = taxa de natalidade; $D$ = taxa de mortalidade; $N$ = tamanho da população; $dN$ = mudança no tamanho da população
    • ii. A reprodução sem restrições resulta no crescimento exponencial de uma população.
      • Equação: Crescimento Exponencial — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N$ onde $dt$ = mudança no tempo; $N$ = tamanho da população; $dN$ = mudança no tamanho da população; $r_{max}$ = taxa máxima de crescimento per capita da população

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A population 种群 is the individuals of one species in an area. Its growth depends on birth, death, immigration, and emigration. Exponential growth 指数增长 ($J$-shaped) happens with unlimited resources; logistic growth 逻辑斯蒂增长 ($S$-shaped) levels off at the carrying capacity 环境容纳量 $K$ – the maximum the environment can sustain – following $\dfrac{dN}{dt}=r_{\max}N\dfrac{K-N}{K}$.

Worked example. A population has $r_{\max}=0.5\ \text{yr}^{-1}$, carrying capacity $K=1000$, and current size $N=400$. Then $\dfrac{dN}{dt}=0.5\times400\times\dfrac{1000-400}{1000}=0.5\times400\times0.6=120$ individuals per year. The $\frac{K-N}{K}$ term is why growth is fastest near $N=K/2$ and slows toward zero as $N$ approaches $K$.

Português

Uma população 种群 são os indivíduos de uma única espécie em uma área. Seu crescimento depende do nascimento, morte, imigração e emigração. O crescimento exponencial 指数增长 (forma de $J$) ocorre com recursos ilimitados; o crescimento logístico 逻辑斯蒂增长 (forma de $S$) nivela-se na capacidade de suporte 环境容纳量 $K$ – o máximo que o ambiente pode sustentar – seguindo $\dfrac{dN}{dt}=r_{\max}N\dfrac{K-N}{K}$.

Crescimento populacional: período de latência, exponencial, depois estabilização na capacidade de suporte
Crescimento populacional: período de latência, exponencial, depois estabilização na capacidade de suporte

Exemplo resolvido. Uma população tem $r_{\max}=0.5\ \text{yr}^{-1}$, capacidade de suporte $K=1000$, e tamanho atual $N=400$. Então $\dfrac{dN}{dt}=0.5\times400\times\dfrac{1000-400}{1000}=0.5\times400\times0.6=120$ indivíduos por ano. O termo $\frac{K-N}{K}$ é por que o crescimento é mais rápido perto de $N=K/2$ e diminui em direção a zero à medida que $N$ se aproxima de $K$.

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Cresça uma população até a capacidade de suporte

Uma população cresce rápido quando pequena, depois desacelera à medida que se aproxima de sua capacidade de suporte $K$ — crescimento logístico. Aumente a taxa de crescimento e observe ela se nivelar.

Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩
English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
taxis/ˈtæksiz/ 趋性 qū xìng
kinesis/kəˈniːsɪs/ 动性 dòng xìng
nocturnal and diurnal activity/nɒkˈtɜːnl ænd ˈdɪɜːnl ækˈtɪvɪti/ 夜行性与昼行性 yè xíng xìng yǔ zhòu xíng xìng
territorial marking/ˌterɪˈtɔːrɪəl ˈmɑːkɪŋ/ 领域标记 lǐng yù biāo jì
coloration/ˌkʌləˈreɪʃn/ 体色 tǐ sè
foraging/ˈfɒrɪdʒɪŋ/ 觅食 mì shí
Life-history strategy/laɪf ˈhɪstəri ˈstrætədʒi/ 生活史策略 shēng huó shǐ cè lüè
ecosystems/ˈiːkəʊsɪstəmz/ 生态系统 shēng tài xì tǒng
producers/prəˈdjuːsəz/ 生产者 shēng chǎn zhě
consumers/kənˈsuːməz/ 消费者 xiāo fèi zhě
food chain/fuːd tʃeɪn/ 食物链 shí wù liàn
trophic level/ˈtrəʊfɪk ˈlevl/ 营养级 yíng yǎng jí
population/ˌpɒpjʊˈleɪʃn/ 种群 zhǒng qún
Exponential growth/ˌekspəˈnenʃl ɡrəʊθ/ 指数增长 zhǐ shù zēng zhǎng
logistic growth/ləˈdʒɪstɪk ɡrəʊθ/ 逻辑斯蒂增长 luó jí sī dì zēng zhǎng
carrying capacity/ˈkæriɪŋ kəˈpæsɪti/ 环境容纳量 huán jìng róng nà liàng
Density-dependent/ˈdensɪti dɪˈpendənt/ 密度制约 mì dù zhì yuē
Density-independent/ˈdensɪti ˌɪndɪˈpendənt/ 非密度制约 fēi mì dù zhì yuē
community/kəˈmjuːnɪti/ 群落 qún luò
competition/ˌkɒmpəˈtɪʃn/ 竞争 jìng zhēng
predation/prɪˈdeɪʃn/ 捕食 bǔ shí
symbiosis/ˌsɪmbaɪˈəʊsɪs/ 共生 gòng shēng
8.4

Effect of Density on Populations · ⁨Efeito da Densidade sobre Populações⁩
Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Big Idea 4 — Systems Interactions: Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

Learning Objective 8.4.A: Explain how the density of a population affects and is determined by resource availability in the environment.

  • 8.4.A.1 Carrying capacity is the sustainable abundance of a species that can be supported by the ecosystem's total available resources.
  • 8.4.A.2 As limits to growth attributable to density-dependent and density-independent factors are imposed, a logistic growth model typically ensues.
    • Equation: Logistical Growth — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N \left( \dfrac{K - N}{K} \right)$ where $dt$ = change in time; $N$ = population size; $dN$ = change in population size; $r_{max}$ = maximum per capita growth rate of population; $K$ = carrying capacity
Português

Grande Ideia 4 — Interações de Sistemas: Sistemas biológicos interagem, e esses sistemas e suas interações exibem propriedades complexas.

Objetivo de Aprendizagem 8.4.A: Explicar como a densidade de uma população afeta e é determinada pela disponibilidade de recursos no ambiente.

  • 8.4.A.1 Capacidade de suporte (capacidade de carga) é a abundância sustentável de uma espécie que pode ser sustentada pelos recursos totais disponíveis do ecossistema.
  • 8.4.A.2 À medida que limites ao crescimento atribuídos a fatores dependentes e independentes da densidade são impostos, um modelo de crescimento logístico geralmente ocorre.
    • Equação: Crescimento Logístico — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N \left( \dfrac{K - N}{K} \right)$ onde $dt$ = mudança no tempo; $N$ = tamanho da população; $dN$ = mudança no tamanho da população; $r_{max}$ = taxa máxima de crescimento per capita da população; $K$ = capacidade de suporte

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Some factors depend on crowding, others do not:

  • Density-dependent 密度制约 factors intensify as a population grows – competition, predation, disease.
  • Density-independent 非密度制约 factors act regardless of density – weather, natural disasters.

These factors regulate population size around the carrying capacity.

Português

Alguns fatores dependem do aglomeramento, outros não:

  • Fatores dependentes da densidade 密度制约 intensificam-se à medida que uma população cresce – competição, predação, doença.
  • Fatores independentes da densidade 非密度制约 atuam independentemente da densidade – clima, desastres naturais.

Esses fatores regulam o tamanho da população em torno da capacidade de suporte.

Uma manada densa de veados: fatores dependentes da densidade, como doença e competição por alimento, intensificam-se à medida que os números aumentam
Uma manada densa de veados: fatores dependentes da densidade, como doença e competição por alimento, intensificam-se à medida que os números aumentam
8.5

Community Ecology · ⁨Ecologia Comunitária⁩
Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 8.5.A: Describe the structure of a community according to its species composition and diversity.

  • 8.5.A.1 The structure of a community is measured and described in terms of species composition and species diversity.
    • Equation: Simpson's Diversity Index — $\text{Diversity Index} = 1 - \sum \left( \dfrac{n}{N} \right)^2$ where $n$ = total number of organisms of a particular species; $N$ = total number of organisms of all species

Learning Objective 8.5.B: Explain how interactions within and among populations influence community structure.

  • 8.5.B.1 Communities are groups of interacting populations of different species that change over time based on the interactions between those populations.
  • 8.5.B.2 Interactions among populations determine how they access energy and matter within a community.
  • 8.5.B.3 Relationships among interacting populations can be characterized by positive and negative effects and can be modeled. Examples include predator/prey interactions, cooperation, trophic cascades, and niche partitioning.
  • 8.5.B.4 Competition, predation, and symbioses, including parasitism, mutualism, and commensalism, can drive population dynamics.
Português

Grande Ideia 2 — Energetica: Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 8.5.A: Descrever a estrutura de uma comunidade segundo sua composição e diversidade de espécies.

  • 8.5.A.1 A estrutura de uma comunidade é medida e descrita em termos de composição de espécies e diversidade de espécies.
    • Equação: Índice de Diversidade de Simpson — $\text{Diversity Index} = 1 - \sum \left( \dfrac{n}{N} \right)^2$ onde $n$ = número total de organismos de uma espécie particular; $N$ = número total de organismos de todas as espécies

Objetivo de Aprendizagem 8.5.B: Explicar como as interações dentro e entre populações influenciam a estrutura da comunidade.

  • 8.5.B.1 Comunidades são grupos de populações interativas de diferentes espécies que mudam ao longo do tempo com base nas interações entre essas populações.
  • 8.5.B.2 As interações entre populações determinam como elas acessam energia e matéria dentro de uma comunidade.
  • 8.5.B.3 Relações entre populações interativas podem ser caracterizadas por efeitos positivos e negativos e podem ser modeladas. Exemplos incluem interações predador/presa, cooperação, cascatas tróficas e particionamento de nicho.
  • 8.5.B.4 Competição, predação e simbioses, incluindo parasitismo, mutualismo e comensalismo, podem impulsionar a dinâmica populacional.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A community 群落 is all the interacting populations in an area. Key interactions: competition 竞争 (for shared resources), predation 捕食, symbiosis 共生 – mutualism (both benefit), commensalism (one benefits, other unaffected), and parasitism (one benefits, other harmed). These relationships shape which species coexist.

Português
Peixe-palhaço entre tentáculos de anêmona-do-mar — um mutualismo clássico
Peixe-palhaço entre tentáculos de anêmonas do mar — um mutualismo clássico de livro-texto

Uma comunidade 群落 é todas as populações interagentes em uma área. Interações principais: competição 竞争 (por recursos compartilhados), predação 捕食, simbiose 共生 – mutualismo (ambos se beneficiam), comensalismo (um se beneficia, outro não é afetado) e parasitismo (um se beneficia, outro é prejudicado). Essas relações moldam quais espécies coexistem.

Uma teia alimentar conecta várias cadeias alimentares
Uma teia alimentar conecta várias cadeias alimentares
8.6

Biodiversity · ⁨Biodiversidade⁩
Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Big Idea 4 — Systems Interactions: Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

Learning Objective 8.6.A: Describe the relationship between ecosystem diversity and its resilience to changes in the environment.

  • 8.6.A.1 Natural and artificial ecosystems with fewer component parts, and with little diversity among the parts, are often less resilient to changes in the environment.
  • 8.6.A.2 Keystone species, producers, and essential abiotic and biotic factors contribute to maintaining the diversity of an ecosystem.

Learning Objective 8.6.B: Explain how the addition or removal of any component of an ecosystem will affect its overall short-term and long-term structure.

  • 8.6.B.1 The effects of keystone species on the ecosystem are disproportionate relative to their abundance in the ecosystem. When they are removed from the ecosystem, it often collapses.
Português

Grande Ideia 4 — Interações de Sistemas: Sistemas biológicos interagem, e esses sistemas e suas interações exibem propriedades complexas.

Objetivo de Aprendizagem 8.6.A: Descrever a relação entre a diversidade de ecossistemas e sua resiliência às mudanças no ambiente.

  • 8.6.A.1 Ecossistemas naturais e artificiais com menos partes componentes e com pouca diversidade entre as partes são frequentemente menos resilientes a mudanças no ambiente.
  • 8.6.A.2 Espécies-chave, produtores e fatores abióticos e bióticos essenciais contribuem para manter a diversidade de um ecossistema.

Objetivo de Aprendizagem 8.6.B: Explicar como a adição ou remoção de qualquer componente de um ecossistema afetará sua estrutura geral de curto e longo prazo.

  • 8.6.B.1 Os efeitos de espécies-chave sobre o ecossistema são desproporcionais em relação à sua abundância no ecossistema. Quando são removidas do ecossistema, este muitas vezes colapsa.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Biodiversity 生物多样性 is the variety of life – genes, species, and ecosystems. Higher diversity generally makes a community more resilient 有韧性, better able to withstand and recover from disturbance. A keystone species 关键种 has an outsized effect, so losing it can collapse the community.

Português
Recife de coral: alta biodiversidade em um ecossistema marinho produtivo
Recife de coral: alta biodiversidade em um ecossistema marinho produtivo

Biodiversidade 生物多样性 é a variedade de vida — genes, espécies e ecossistemas. Maior diversidade geralmente torna uma comunidade mais resiliente 有韧性, capaz de resistir e se recuperar melhor de perturbações. Uma espécie-chave 关键种 tem um efeito desproporcional, então perdê-la pode colapsar a comunidade.

Biodiversidade em três níveis: genética, de espécies e de habitat
Biodiversidade em três níveis: genética, de espécies e de habitat
Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩
English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
Biodiversity/ˌbaɪəʊdaɪˈvɜːsɪti/ 生物多样性 shēng wù duō yàng xìng
resilient/rɪˈsɪlɪənt/ 有韧性 yǒu rèn xìng
keystone species/ˈkiːstəʊn ˈspiːsiːz/ 关键种 guān jiàn zhǒng
ecological succession/ˌekəˈlɒdʒɪkl səkˈseʃn/ 生态演替 shēng tài yǎn tì
8.7

Disruptions in Ecosystems · ⁨Perturbações nos Ecossistemas⁩
Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Big Idea 1 — Evolution: The process of evolution drives the diversity and unity of life.

Learning Objective 8.7.A: Explain the interaction between the environment and random or preexisting variations in populations.

  • 8.7.A.1 An adaptation is a genetic variation that is favored by selection and manifests as a trait that provides an advantage to an organism in a particular environment.
  • 8.7.A.2 Heterozygote advantage is when the heterozygous genotype has a higher relative fitness than either the homozygous dominant or homozygous recessive genotype.
  • 8.7.A.3 Mutations are not directed by specific environmental pressures.

Big Idea 4 — Systems Interactions: Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

Learning Objective 8.7.B: Explain how invasive species affect ecosystem dynamics.

  • 8.7.B.1 The intentional or unintentional introduction of an invasive species can allow the species to exploit a new niche free of predators or competitors or to outcompete native species for resources.
    • Illustrative examples for 8.7.B.1:
      • Kudzu
      • Zebra mussels

Learning Objective 8.7.C: Describe human activities that lead to changes in ecosystem structure and dynamics.

  • 8.7.C.1 Human impact accelerates changes at local and global levels. These activities can drive changes in ecosystems, such as the following, that cause extinctions to occur:
    • i. Biomagnification
    • ii. Eutrophication
    • Illustrative examples for 8.7.C.1:
      • Dutch elm disease
      • Potato blight

Learning Objective 8.7.D: Explain how geological and meteorological activity leads to changes in ecosystem structure and dynamics.

  • 8.7.D.1 Geological and meteorological events affect habitat change and ecosystem distribution. Biogeographical studies illustrate these changes.
    • Illustrative examples for 8.7.D.1:
      • Global climate change
      • Logging
      • Urbanization
      • Monocropping
      • El Nino
      • Continental drift
      • Meteor impact on dinosaurs
Português

Grande Ideia 1 — Evolução: O processo de evolução impulsiona a diversidade e a unidade da vida.

Objetivo de Aprendizagem 8.7.A: Explicar a interação entre o ambiente e variações aleatórias ou pré-existentes em populações.

  • 8.7.A.1 Uma adaptação é uma variação genética favorecida pela seleção e que se manifesta como um traço que proporciona vantagem a um organismo em um ambiente particular.
  • 8.7.A.2 Vantagem heterozigota é quando o genótipo heterozigoto tem aptidão relativa maior do que qualquer um dos genótipos homozigotos dominante ou recessivo.
  • 8.7.A.3 Mutações não são direcionadas por pressões ambientais específicas.

Grande Ideia 4 — Interações de Sistemas: Sistemas biológicos interagem, e esses sistemas e suas interações exibem propriedades complexas.

Objetivo de Aprendizagem 8.7.B: Explicar como espécies invasivas afetam a dinâmica do ecossistema.

  • 8.7.B.1 A introdução intencional ou acidental de uma espécie invasiva pode permitir que a espécie explore um novo nicho livre de predadores ou competidores ou que supere espécies nativas por recursos.
    • Exemplos ilustrativos para 8.7.B.1:
      • Kudzu
      • Moluscos-zebra

Objetivo de Aprendizagem 8.7.C: Descrever atividades humanas que levam a mudanças na estrutura e dinâmica do ecossistema.

  • 8.7.C.1 O impacto humano acelera mudanças em níveis locais e globais. Essas atividades podem impulsionar mudanças em ecossistemas, como as seguintes, que causam extinções:
    • i. Bioacumulação (Biomagnificação)
    • ii. Eutrofização
    • Exemplos ilustrativos para 8.7.C.1:
      • Doença do freixo holandês
      • Tigna da batata

Objetivo de Aprendizagem 8.7.D: Explicar como a atividade geológica e meteorológica leva a mudanças na estrutura e dinâmica do ecossistema.

  • 8.7.D.1 Eventos geológicos e meteorológicos afetam a mudança de habitat e a distribuição dos ecossistemas. Estudos biogeográficos ilustram essas mudanças.
    • Exemplos ilustrativos para 8.7.D.1:
      • Mudança climática global
      • Desmatamento
      • Urbanização
      • Monocultura
      • El Niño
      • Deriva continental
      • Impacto de meteorito em dinossauros

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Ecosystems change from natural and human causes – climate shifts, invasive species, habitat loss, and pollution. A disturbance can trigger ecological succession 生态演替 (the community rebuilds over time). Because species are interconnected, a change to one – especially a keystone or a trophic level – can ripple through the whole ecosystem.

Português
Paisagem desmatada — a perda de habitat é uma grande perturbação nos ecossistemas
Paisagem desmatada — a perda de habitat é uma grande perturbação nos ecossistemas

Os ecossistemas mudam devido a causas naturais e humanas – mudanças climáticas, espécies invasoras, perda de habitat e poluição. Uma perturbação pode desencadear a sucessão ecológica 生态演替 (a comunidade se reconstrói ao longo do tempo). Como as espécies estão interconectadas, uma mudança em uma delas – especialmente uma espécie-chave ou um nível trófico – pode repercutir em todo o ecossistema.

O desmatamento reduz a biodiversidade e causa erosão, inundações e maior CO2
O desmatamento reduz a biodiversidade e causa erosão, inundações e maior CO2
8.7

Exam tips · ⁨Dicas de prova⁩
English
  • Apply the 10% rule: about 90% of energy is lost at each trophic level, so food chains are short.
  • Distinguish exponential ($J$) from logistic ($S$) growth; the latter levels off at the carrying capacity ($\frac{dN}{dt}=r_{\max}N\frac{K-N}{K}$).
  • Separate density-dependent (competition, disease, predation) from density-independent (weather) limiting factors.
  • Name community interactions (competition, predation, symbiosis) and the effect of a keystone species.
  • Explain how disturbing one species — especially a keystone or a whole trophic level — ripples through the ecosystem.
Português
  • Aplique a regra dos 10%: cerca de 90% da energia é perdida em cada nível trófico, então as cadeias alimentares são curtas.
  • Diferencie o crescimento exponencial ($J$) do logístico ($S$); este último nivela-se na capacidade de suporte ($\frac{dN}{dt}=r_{\max}N\frac{K-N}{K}$).
  • Separe os fatores limitantes dependentes da densidade (competição, doença, predação) dos independentes da densidade (clima).
  • Nomeie as interações comunitárias (competição, predação, simbiose) e o efeito de uma espécie-chave.
  • Explique como perturbar uma espécie – especialmente uma espécie-chave ou todo um nível trófico – repercute no ecossistema.

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