Ecologia populației. Selecția naturală. Concurența pentru existență

Ecologia populației - este o diviziune a Ecologia, care se referă la dinamica populațiilor de specii și la modul în care aceste populații interacționează cu mediul lor. Acesta este studiul modului în care mărimea populației unei specii se modifică în timp timp și spațiu. Termenul este adesea utilizat în mod interschimbabil cu biologia populației sau dinamica populației. De asemenea, descrie adesea tipurile de luptă pentru existență. Ca o consecință a selecției naturale, numărul de indivizi care sunt maxim adaptați la.

În biologie, o populație reprezintă întinderea unei specii sau numărul de indivizi care trăiesc într-o zonă.

Istorie

Cum a început totul? Dezvoltarea ecologiei populațiilor are mult de-a face cu demografia și cu tabelele actuale ale vieții. Această secțiune este foarte importantă în contextul ecologic actual.

Ecologia populațiilor este importantă în biologia conservării, în special în dezvoltarea analizei viabilității populației (PVA), care prezice probabilitatea pe termen lung de conservare a unei specii într-un anumit habitat. Deși această ecologie este o subspecie a biologiei, ea prezintă probleme interesante pentru matematicienii și statisticienii care lucrează în domeniul dinamicii populațiilor. În biologie, populația este unul dintre termenii centrali.

Modele

Ca toate științele, ecologia folosește modele. Modelele simplificate ale schimbărilor demografice încep, de obicei, cu patru variabile cheie (patru procese demografice), inclusiv decesele, nașterile, imigrația și emigrația. Modelele matematice utilizate pentru a calcula schimbările și evoluția populației presupun absența influențelor externe. Modelele pot fi mai complexe din punct de vedere matematic atunci când "... mai multe ipoteze concurente se ciocnesc simultan cu datele".

Orice model de dezvoltare a populației poate fi folosit pentru a deduce matematic anumite proprietăți ale populațiilor geometrice. O populație cu mărime crescândă geometric este o populație în care generațiile de reproducere nu se suprapun. Fiecare generație are o dimensiune (și o suprafață) efectivă a populației, notată Ne, care reprezintă numărul de indivizi din populație care se pot și se vor reproduce în orice generație de reproducere. Ce este de interes.

Teoria r/K a selecției

Un concept important în ecologia populațiilor este teoria selecției r/K. Prima variabilă este r (rata intrinsecă de creștere naturală a populației, independentă de densitate) și a doua variabilă este K (capacitatea de suport a populației, dependentă de densitate). Relațiile intraspecifice joacă un rol.

O specie selectată R (de exemplu, multe specii de insecte, cum ar fi afidele) este o specie care are rate ridicate de fecunditate, o investiție parentală scăzută în pui și rate ridicate de mortalitate înainte ca indivizii să ajungă la maturitate. Evoluția favorizează productivitatea la speciile r-selectate. În schimb, speciile selecționate K (cum ar fi oamenii) au rate scăzute de fecunditate, niveluri ridicate de investiții parentale la tineri și rate scăzute de mortalitate pe măsură ce indivizii se maturizează.

Evoluția la speciile selecționate K promovează eficiența în convertirea mai multor resurse în mai puțini descendenți. Ca urmare a relațiilor interspecifice neproductive, acești descendenți pot dispărea, devenind ultimii membri ai populației lor.

Istoria teoriei

Terminologia de selecție r/K a fost inventată de ecologiștii Robert MacArthur și E. О. de Wilson în 1967, pe baza lucrărilor lor privind biogeografia insulară. Această teorie dezvăluie motivele pentru care populațiile fluctuează.

Teoria a fost populară în anii `70 și `80, când a fost folosită ca euristică, dar și-a pierdut din importanță la începutul anilor `90, când a fost criticată de mai multe studii empirice. paradigmă istorii de viață A înlocuit paradigma r/K-choice, dar continuă să încorporeze multe dintre temele sale importante. Nevoia de a se reproduce este forța motrice din spatele evoluției și, prin urmare, această teorie este extrem de utilă pentru a studia evoluția.

Astfel, speciile selecționate cu r sunt cele care pun accentul pe rate de creștere ridicate, tind să utilizeze nișe ecologice mai puțin aglomerate și produc mulți descendenți, fiecare cu o probabilitate relativ scăzută de a supraviețui până la vârsta adultă (adică r ridicat, K scăzut). O specie tipică de r este păpădia (genul Taraxacum).

În mediile instabile sau imprevizibile, selecția r prevalează datorită capacității de reproducere rapidă. Există un avantaj redus în adaptările care permit o competiție de succes cu alte organisme, deoarece este probabil ca mediul să se schimbe din nou. Printre trăsăturile care, sunt considerate a fi, Trăsăturile care caracterizează r-selecția sunt: fecunditate ridicată, dimensiuni corporale mici, maturitate timpurie, timp de generație scurt și capacitatea de a dispersa pe scară largă urmașii.

Organismele ale căror istorii de viață sunt supuse unei r-selecții sunt adesea numite r-strategii. Organismele care prezintă trăsături r-selectate pot varia de la bacterii și alge diatomee până la insecte și ierburi, precum și diverse cefalopode cu șapte picioare și mamifere mici, în special rozătoare. Teoria diferențială K are o legătură indirectă cu selecția naturală a animalelor.

Selecția speciilor

Speciile selecționate K prezintă trăsături asociate cu traiul în densități apropiate de capacitatea de suport și tind să fie competitori puternici în astfel de nișe aglomerate care investesc mai mult în mai puțini descendenți. Fiecare are o probabilitate relativ mare de a supraviețui până la vârsta adultă (t.е. g scăzut, K ridicat). În literatura științifică, speciile selecționate r sunt uneori denumite specii "oportuniste", în timp ce speciile selecționate K sunt descrise ca specii "de echilibru".

În condiții stabile sau previzibile, selecția K prevalează deoarece capacitatea de a concura cu succes pentru resurse limitate este crucială, iar populațiile de organisme selectate K sunt de obicei foarte constante în abundență și apropiate de maximul pe care mediul îl poate tolera. Spre deosebire de r-selecție, unde mărimea populației se poate schimba mult mai rapid. Abundența scăzută duce la incest, care este una dintre cele mai cauze de apariție mutații.

Trăsături caracteristice

Trăsăturile considerate a fi caracteristice pentru rasa K includ dimensiuni mari ale corpului, lungime longevitate și producerea unui număr mai mic de urmași, care necesită adesea o îngrijire atentă din partea părinților până la maturitate. Organismele ale căror istorii de viață sunt supuse selecției K sunt adesea numite K-strategii sau K-selectate. Organismele cu strategii K includ organisme mari, cum ar fi elefanții, oamenii și balenele, precum și organisme mai mici, cu o durată de viață lungă, cum ar fi ternele arctice, papagalii și vulturii. Creșterea populației este un tip de luptă pentru existență.

Clasificarea organismelor

Deși unele organisme sunt identificate în principal ca fiind strategi r sau K, majoritatea organismelor nu urmează acest model. De exemplu, copacii au trăsături precum longevitatea și competitivitatea ridicată care îi caracterizează ca fiind strategi K. Cu toate acestea, atunci când se înmulțesc, copacii produc de obicei mii de descendenți și îi dispersează pe scară largă, ceea ce este caracteristic pentru r-strategii.

În mod similar, reptilele, cum ar fi broaștele țestoase de mare, au atât caracteristici r-, cât și K-: deși broaștele țestoase de mare sunt organisme mari, cu o durată de viață lungă (cu condiția să ajungă la o vârstă matură), ele produc un număr mare de descendenți nedetectați.

Alte expresii

Dihotomia r/K poate fi re-exprimată ca un spectru continuu folosind conceptul economic de randamente viitoare actualizate, cu eșantionul r corespunzând ratelor mari de actualizare și eșantionul K corespunzând ratelor mici de actualizare.

În zonele cu perturbări ecologice grave sau sterilizare (de exemplu, după o erupție vulcanică majoră, cum ar fi Krakatoa sau Muntele St Helens), strategiile r și K joacă roluri diferite în secvența ecologică care restaurează ecosistemul. Datorită ratelor lor de reproducere mai mari și oportunismului ecologic, colonizatorii primari tind să fie strategi și sunt urmați de o succesiune de competiție crescândă între viața vegetală și animală. Capacitate medii crește conținutul energetic prin captarea fotosintetică a energiei solare crește odată cu creșterea biodiversității complexe, pe măsură ce se reproduc speciile r, atingând maximul posibil cu K.

Un nou echilibru

În cele din urmă, se instalează un nou echilibru (denumit uneori comunitate climax), în care speciile r sunt înlocuite treptat de speciile K, care sunt mai competitive și mai bine adaptate la schimbările micro-ecologice emergente din peisaj. În mod tradițional, biodiversitatea a fost considerată ca fiind maximizată în această etapă prin introducerea de noi specii, ceea ce a dus la înlocuirea și dispariția localizată a speciilor endemice. Cu toate acestea, ipoteza perturbării intermediare afirmă că nivelurile intermediare de perturbare într-un peisaj creează pete la diferite niveluri de secvență, contribuind la coexistența colonizatorilor și a competitorilor la scară regională.

În timp ce teoria selecției r/K se aplică de obicei la nivelul speciilor, aceasta este utilă și pentru studierea evoluției diferențelor ecologice și de istorie a vieții între subspecii. De exemplu, albina africană A ligustica. m. scutellata și albina italiană A. m. ligustica . La celălalt capăt al scalei, a fost folosită și pentru a studia ecologia evolutivă a unor întregi grupuri de organisme, cum ar fi bacteriofagele.

Punctele de vedere ale cercetătorilor

Unii cercetători, cum ar fi Leigh Ellis, J. K. H., J. M. M. și J. P. M., au folosit-o, de asemenea, pentru a studia ecologia evolutivă a unor întregi grupuri de organisme, cum ar fi bacteriofagii. Philip Rushton și Aurelio José Figueredo, au aplicat teoria selecției r/K la diverse comportamente umane, inclusiv la criminalitate, promiscuitate sexuală, fertilitate și alte trăsături asociate cu teoria istoriei vieții. Munca lui Rushton l-a condus la dezvoltarea "teoriei K diferențiale" pentru a încerca să explice numeroasele diferențe de comportament uman în diferite zone geografice. Și această teorie a fost criticată de mulți alți cercetători. Aceștia din urmă au sugerat că evoluția răspunsurilor inflamatorii umane este legată de selecția r/K.

Cu toate că teoria selecției r/K a fost utilizată pe scară largă în anii 1970, ea a început să atragă o atenție tot mai mare. În special, o recenzie a ecologistului Stephen S. Sterns, a atras atenția asupra lacunelor din teorie și asupra ambiguităților în interpretarea datelor empirice pentru a o testa.

Cercetări suplimentare

În 1981, o trecere în revistă a literaturii privind selecția r/K realizată de Parry a demonstrat că nu există un acord între cercetătorii care folosesc teoria selecției r și K, ceea ce l-a determinat să pună sub semnul întrebării ipoteza unei legături între costurile de reproducere.

Un studiu realizat de Templeton și Johnson în 1982 a arătat că, într-o populație de Drosophila mercatorum (o subspecie de muscă) supusă selecției K, aceasta produce de fapt o frecvență mai mare a trăsăturilor asociate de obicei cu selecția r. Alte câteva studii care contrazic predicțiile teoriei selecției r/K au fost publicate între 1977 și 1994.

Când Stearns a revizuit statutul teoriei în 1992, el a observat că din 1977 până în 1982 serviciul de căutare a literaturii BIOSIS a avut o medie de 42 de referințe la teorie pe an, dar din 1984 până în 1989 numărul mediu a scăzut la 16 pe an și a continuat să scadă. El a concluzionat că teoria r/K a fost cândva o euristică utilă care nu mai servește unui scop în teoria istoriei vieții.

Mai recent, teoriile capacității de adaptare panarhică și de reziliență promovate de C. С. Holling și Lance Gunderson, au reînviat interesul pentru această teorie și o folosesc ca o modalitate de integrare a sistemelor sociale, economiei și ecologiei.

Ecologia metapopulațiilor

Ecologia metapopulațiilor este un model simplificat al peisajului în pete de diferite niveluri de calitate. Migranții care se deplasează între zone sunt structurați într-o metapopulație ca surse sau puțuri. În terminologia metapopulației, există emigranți (indivizi care părăsesc o zonă) și imigranți (indivizi care se mută într-o zonă).

Modelele de metapopulație explorează dinamica siturilor în timp, Pentru a răspunde Cu privire la întrebări privind ecologia spațială și demografică. Un concept important în ecologia metapopulațiilor este efectul de salvare, în care siturile mai mici, de calitate inferioară (adică chiuvetele) sunt susținute de un aflux sezonier de noi imigranți.

Structura metapopulației evoluează de la un an la altul, în care unele situri sunt rezervoare, cum ar fi anii secetoși, și devin surse atunci când condițiile sunt mai favorabile. Ecologiștii folosesc un amestec de modele computerizate și studii de teren pentru a explica structura metapopulațiilor. Structura pe vârste a unei populații reprezintă prezența indivizilor de o anumită vârstă în cadrul populației.

Autoecologie

Termenul mai vechi de autoecologie (din greacă: αὐτο, auto, "sine"; οίκος, oikos, "gospodărie" și λόγος, logos, "cunoaștere"), se referă aproximativ la același domeniu de studiu ca și ecologia populației. Ea provine din divizarea ecologiei în autoecologie - studiul speciilor individuale prin ecologism - și sinecologia - studiul grupurilor de organisme în relație cu mediul înconjurător - sau ecologia comunităților. Odum (biolog american) a considerat că sinecologia ar trebui să fie împărțită în ecologia populațiilor, ecologia comunităților și ecologia ecosistemelor, definind autoecologia ca "ecologia speciilor".

Cu toate acestea, biologii recunosc de ceva timp că nivelul cel mai important de organizare a unei specii este cel al populației, deoarece la acest nivel fondul genetic al speciei este cel mai consistent. De fapt, Odum a văzut "autoecologia" ca fiind "tendința actuală" în ecologie (de ex. е. termen arhaic), deși a inclus "ecologia speciilor" ca una dintre cele patru diviziuni ale ecologiei.

Prima publicație de Ecologie a populațiilor (intitulată inițial Studies in Population Ecology) a apărut în 1952.

Articole științifice privind ecologia populațiilor pot fi găsite și în reviste de ecologie animală.

Dinamica populației

Dinamica populației este o ramură a științelor vieții care studiază mărimea și compoziția pe vârste a populației ca sisteme dinamice, precum și procesele biologice și ecologice care le determină (de exemplu, ratele de natalitate și mortalitate, imigrația și emigrația). Exemple de scenarii: îmbătrânirea populației, creșterea sau scăderea populației.

Creșterea exponențială descrie reproducerea nereglementată. Acest lucru este foarte neobișnuit de văzut în natură. În ultimii 100 de ani, creșterea populației a fost exponențială.

Thomas Malthus credea că creșterea populației va duce la suprapopulare și foamete din cauza lipsei de resurse, inclusiv de hrană. Oamenii nu vor putea hrăni populații mari în viitor. Ipoteza biologică a creșterii exponențiale este că rata de creștere la pe cap de locuitor este constant. Creșterea nu este limitată de penuria de resurse sau de prădători.

Dinamică populație a fost utilizat pe scară largă în mai multe aplicații ale teoriei controlului. Folosind teoria evoluționistă a jocurilor, jocurile de populație au fost aplicate pe scară largă într-o varietate de contexte industriale și cotidiene. Se utilizează în principal în sisteme cu intrări multiple și ieșiri multiple (MIMO), deși pot fi adaptate pentru a fi utilizate în sisteme cu o intrare și o ieșire (SISO). Câteva exemple de aplicații sunt campaniile militare, alocarea resurselor pentru distribuția apei, dispecerizarea generatoarelor distribuite, experimentele de laborator, probleme de transport, probleme de comunicare. În plus, cu o contextualizare adecvată a problemelor de producție, dinamica populației poate deveni eficientă și ușor de aplicat rezolvarea problemelor, legate de control. Numeroase studii științifice au fost și continuă să fie efectuate.

Supraaglomerarea

Suprapopularea apare atunci când populația unei specii depășește capacitatea de suport a unei nișe ecologice. Acesta poate fi rezultatul unei fertilități crescute (rata fertilității), al unei scăderi a mortalității, al unei imigrații crescute sau al unui biom nesustenabil și al unor resurse epuizate. În plus, aceasta înseamnă că, dacă în un singur mediu prea mulți oameni, oamenii limitează resursele disponibile pentru supraviețuire. Structura pe vârste a populației nu joacă un rol major în acest sens.

В animale sălbatice Suprapopularea determină adesea creșterea populațiilor de prădători. Acest lucru are ca efect controlul populației de pradă și asigurarea evoluției acesteia în favoarea caracteristicilor genetice care o fac mai puțin vulnerabilă în fața prădătorilor (iar prădătorul poate evolua în paralel).

În absența prădătorilor, speciile sunt limitate de resursele pe care le pot găsi în mediul lor, dar acest lucru nu controlează neapărat suprapopularea. Cel puțin pe termen scurt. Resursele abundente pot duce la un boom demografic urmat de o criză demografică. Rozătoarele, cum ar fi lemingii și popândăii, au cicluri de creștere rapidă a populației, urmate de declin. Populațiile de iepure de zăpadă sunt, de asemenea, ciclice în mod dramatic, la fel ca și în cazul linxului, unul dintre prădătorii care îi vânează. Urmărirea acestei tendințe este mult mai ușoară decât identificarea genomului unei populații.