Populačná ekológia. Prirodzený výber. Boj o existenciu

Populačná ekológia - Je to rozdelenie ekológie, ktorá sa zaoberá dynamikou populácií druhov a tým, ako tieto populácie interagujú s prostredím. Toto je štúdia o tom, ako sa mení veľkosť populácie druhov čas a priestor. Tento výraz sa často používa zameniteľne s populačnou biológiou alebo populačnou dynamikou. Často tiež opisuje typy boja o existenciu. Vďaka prirodzenému výberu sa zvyšuje počet jedincov, ktorí sú maximálne prispôsobení.

V biológii je populácia stupňom rozšírenia konkrétneho druhu alebo určitého počtu jeho zástupcov žijúcich na rovnakom území.

História

Ako to všetko začalo? Vývoj populačnej ekológie do značnej miery súvisí s demografiou a súčasnými životnými tabuľkami. Táto časť je v súčasných podmienkach prostredia veľmi dôležitá.

Populačná ekológia je dôležitá v ochranárskej biológii, najmä pri vývoji analýzy životaschopnosti populácie (PVA), ktorá vám umožňuje predpovedať dlhodobú pravdepodobnosť zachovania druhu v danom biotope. Aj keď je táto ekológia poddruhom biológie, predstavuje zaujímavé problémy pre matematikov a štatistikov, ktorí pracujú v oblasti demografickej dynamiky. V biológii je populácia jedným z ústredných pojmov.

Modely

Ako každá veda, aj ekológia používa modely. Zjednodušené modely zmeny populácie zvyčajne začínajú štyrmi kľúčovými premennými (štyrmi demografickými procesmi) vrátane smrti, narodenia, prisťahovalectva a emigrácie. Matematické modely používané na výpočet zmien demografickej situácie a vývoja obyvateľstva predpokladajú absenciu vonkajšieho vplyvu. Modely môžu byť matematicky zložitejšie, keď "... , niekoľko konkurenčných hypotéz súčasne koliduje s údajmi".

Na matematické odvodenie určitých vlastností geometrických populácií je možné použiť akýkoľvek model populačného vývoja. Populácia s geometricky sa zväčšujúcou veľkosťou je populácia, v ktorej sa generácie chovu neprekrývajú. V každej generácii existuje efektívna veľkosť (a územie) populácií označovaných ako Ne, čo je počet jedincov v populácii, ktorí sa môžu a budú množiť v akejkoľvek reprodukčnej generácii. Čo spôsobuje obavy.

Teória výberu r / K

Dôležitým konceptom v populačnej ekológii je teória výberu r / K. Prvá premenná je r (vnútorná miera prirodzeného rastu populácie, nezávisí od hustoty) a druhá premenná je k (priepustnosť populácie závisí od hustoty). Určitú úlohu v tom zohrávajú vnútrodruhové vzťahy.

R-vybraný druh (napríklad veľa druhov hmyzu, ako sú vošky) je druh, ktorý má vysokú mieru plodnosti, nízku úroveň rodičovských investícií do mladistvých a vysokú úmrtnosť pred dosiahnutím zrelosti jedincov. Evolúcia podporuje produktivitu u r-vybraných druhov. Naproti tomu druhy vybrané K (napríklad ľudia) majú nízku mieru plodnosti, vysokú úroveň investícií rodičov v mladom veku a nízku úmrtnosť, keď jednotlivci dospievajú.

Evolúcia u druhov vybraných K prispieva k efektívnosti pri premene väčšieho množstva zdrojov na menej potomkov. V dôsledku neproduktívnych medzidruhových vzťahov môžu títo potomkovia vyhynúť a stať sa poslednými predstaviteľmi ich populácie.

História teórie

Terminológiu výberu r / K vytvorili ekológovia Robert MacArthur a E. O. Wilson v roku 1967 na základe svojej práce na ostrovnej biogeografii. Táto teória nám umožňuje identifikovať príčiny kolísania populácie.

Teória bola populárna v rokoch 1970 a 1980, keď bola použitá ako heuristické zariadenie, ale stratila význam Na začiatku 1990, keď bola kritizovaná niekoľkými empirickými štúdiami. Vzor z histórie života nahradil paradigmu výberu r / K, ale naďalej obsahuje mnoho z jej dôležitých tém. Túžba reprodukovať je hlavnou hnacou silou evolúcie, takže táto teória je mimoriadne užitočná na jej štúdium.

R-vybrané druhy sú teda tie, ktoré zdôrazňujú vysokú rýchlosť rastu, zvyčajne používajú menej preplnené ekologické výklenky a produkujú veľa potomkov, z ktorých každý má relatívne nízku pravdepodobnosť dožitia sa dospelosti (T. J. vysoké r, nízke K). Typickým druhom r je púpava (Rod Taraxacum).

V nestabilnom alebo nepredvídateľnom prostredí prevláda r-selekcia kvôli schopnosti rýchleho množenia. Existuje niekoľko výhod v adaptáciách, ktoré vám umožňujú úspešne konkurovať iným organizmom, pretože prostredie sa pravdepodobne opäť zmení. Medzi vlastnosti, ktoré, sú považované, na charakterizáciu r-selekcie sú: vysoká plodnosť, malá veľkosť tela, skorý nástup zrelosti, krátky generačný čas a schopnosť široko rozptýliť potomstvo.

Organizmy, ktorých životná história je podrobená r-selekcii, sa často nazývajú r-stratégovia. Organizmy, ktoré vykazujú vlastnosti vybrané r, sa môžu pohybovať od baktérií a rozsievok po hmyz a trávy, ako aj rôzne hlavonožce so siedmimi okvetnými lístkami a malé cicavce, najmä hlodavce. Diferenciálna teória K má nepriame spojenie s prirodzeným výberom zvierat.

Výber druhov

K-vybrané druhy vykazujú vlastnosti spojené so životom v hustotách blízkych nosnosti a majú tendenciu byť silnými konkurentmi v takých preplnených výklenkoch, ktoré investujú viac do menšieho počtu potomkov. Každá z nich má relatívne vysokú pravdepodobnosť dožitia sa dospelosti (.teda. nízka g, vysoká K). Vo vedeckej literatúre sa r-vybrané druhy niekedy označujú ako "oportunistické", zatiaľ čo k-vybrané druhy sa označujú ako "rovnováha".

V stabilných alebo predvídateľných podmienkach prevláda k-selekcia, pretože schopnosť úspešne súťažiť o obmedzené zdroje je rozhodujúca a počet populácií k-vybraných organizmov je zvyčajne veľmi konštantný a blíži sa maximu, ktoré prostredie vydrží. Na rozdiel od vzoriek r, kde sa veľkosť populácie môže meniť oveľa rýchlejšie. Nízke počty vedú k incestu, ktorý je jedným z príčiny mutácia.

Charakteristické vlastnosti

vlastnosti, ktoré sa považujú za charakteristické pre K-výber, zahŕňajú veľkú veľkosť tela, dlhodobé očakávaná dĺžka života a produkcia menšieho počtu potomkov, ktoré si často vyžadujú starostlivú starostlivosť rodičov, kým nedospejú. Organizmy, ktorých životná história podlieha k-selekcii, sa často nazývajú k-stratégovia alebo k-vybraní. Organizmy s vlastnosťami vybranými K zahŕňajú veľké organizmy, ako sú slony, ľudia a veľryby, ako aj menšie organizmy s dlhou životnosťou, ako sú rybáky polárne, papagáje a orly. Nárast populácie je jedným z typov boja o existenciu.

Klasifikácia organizmov

Aj keď sú niektoré organizmy identifikované predovšetkým ako R-alebo k-stratégovia, väčšina organizmov sa týmto vzorom neriadi. Napríklad stromy majú vlastnosti ako trvanlivosť a vysoká konkurencieschopnosť, ktoré ich charakterizujú ako k-stratégov. Pri rozmnožovaní však stromy zvyčajne produkujú tisíce potomkov a široko ich rozptýlia, čo je typické pre R-stratégov.

Podobne plazy, ako sú morské korytnačky, majú r-aj K-charakteristiky: hoci sú morské korytnačky veľké organizmy s dlhou životnosťou (za predpokladu, že dosiahnu dospelosť), produkujú veľké množstvo nezistených potomkov.

Iné výrazy

Dichotómiu r / K možno znovu vyjadriť ako nepretržité spektrum pomocou ekonomického konceptu diskontovaných budúcich výnosov s r-voľby zodpovedajúce veľkým diskontným sadzbám a k-voľby zodpovedajúce malým diskontným sadzbám.

V oblastiach s vážnymi poruchami životného prostredia alebo sterilizáciou (napríklad po Veľkej sopečnej erupcii, ako v Krakatoa alebo Mount St. Helens), r-a k-stratégovia hrajú rôzne úlohy v ekologickej sekvencii, ktorá obnovuje ekosystém. Kvôli ich vyššej reprodukčnej miere a ekologickému oportunizmu majú primárni kolonizátori tendenciu byť stratégmi a nasleduje po nich séria rastúcej konkurencie medzi rastlinným a živočíšnym svetom. Schopnosť životného prostredia zvýšenie energetického obsahu prostredníctvom fotosyntetického zachytávania slnečnej energie sa zvyšuje so zvyšovaním komplexnej biodiverzity, pretože sa množia druhy r a dosahujú maximum možné pomocou K-stratégií.

Nová rovnováha

Nakoniec nastane nová rovnováha (niekedy nazývaná kulminujúca komunita), keď r-stratégov postupne nahradia k-stratégovia, ktorí sú konkurencieschopnejší a lepšie sa prispôsobujú vznikajúcim mikroekologickým zmenám v krajine. Tradične sa biodiverzita v tejto fáze považovala za maximalizovanú zavedením nových druhov, čo viedlo k nahradeniu a miestnemu vyhynutiu endemických druhov. Hypotéza stredných porúch napriek tomu tvrdí, že stredné úrovne porúch v krajine vytvárajú škvrny na rôznych úrovniach postupnosti, čo prispieva k koexistencii kolonizátorov a konkurentov v regionálnom meradle.

Aj keď sa teória výberu r / K zvyčajne uplatňuje na druhovej úrovni, je tiež užitočná na štúdium vývoja ekologických a životných rozdielov medzi poddruhmi. Napríklad Africká včela medonosná A. m. scutellata a Talianska včela A. m. ligustica. Na druhom konci stupnice sa tiež používa na štúdium evolučnej ekológie celých skupín organizmov, ako sú bakteriofágy.

Názory výskumníkov

Niektorí vedci, ako napríklad Lee Ellis, J. Philippe Rushton a Aurelio Jose Figueiredo aplikovali teóriu výberu r / K na rôzne ľudské správanie vrátane kriminality, sexuálnej promiskuity, plodnosti a ďalších znakov súvisiacich s teóriou histórie života. Rushtonova práca viedla k tomu, že vyvinul "diferenciálnu teóriu K", aby sa pokúsil vysvetliť mnohé rozdiely v ľudskom správaní v rôznych geografických oblastiach. A táto teória bola kritizovaná mnohými ďalšími výskumníkmi. Ten naznačil, že vývoj ľudských zápalových reakcií je spojený s výberom r / K.

Hoci r / k teória výberu sa stal široko používaný v roku 1970, ale tiež začal priťahovať viac a viac pozornosti. Najmä preskúmanie, ktoré urobil ekológ Stephen S. Stearns upozornil na medzery v teórii a na nejasnosti pri interpretácii empirických údajov na jej overenie.

Ďalší výskum

V roku 1981 prehľad literatúry o výbere r/K od Parryho preukázal, že medzi výskumníkmi, ktorí používajú teóriu definície r - a k-výberu, nedošlo k dohode, čo ho prinútilo pochybovať o predpoklade súvislosti medzi reprodukčnými nákladmi.

Štúdia vykonaná Templetonom a Johnsonom v roku 1982 ukázala, že v populácii Drosophila mercatorum (poddruh muchy) podrobenej k-selekcii v skutočnosti poskytuje vyššiu frekvenciu znakov typicky spojených s r-selekciou. V rokoch 1977 až 1994 bolo publikovaných aj niekoľko ďalších štúdií, ktoré sú v rozpore s predpoveďami teórie výberu r/K.

Keď Stearns v roku 1992 preskúmal stav teórie, poznamenal, že od roku 1977 do roku 1982 mala vyhľadávacia služba literatúry BIOSIS v priemere 42 odkazov na teóriu ročne, ale od roku 1984 do V roku 1989 , priemerný počet klesol na 16 ročne a naďalej klesal. Dospel k záveru, že teória r/K bola kedysi užitočnou heuristikou, ktorá už neslúži účelu v teórii dejín života.

V poslednej dobe sa teórie panarchie adaptačných schopností a odolnosti propagovali s. S. Halling a Lance Gunderson oživili záujem o teóriu a použili ju ako spôsob integrácie sociálnych systémov, ekonomiky a ekológie.

Ekológia metapopulácie

Ekológia metapopulácie je zjednodušený model krajiny do oblastí rôznych úrovní kvality. Migranti pohybujúci sa medzi lokalitami sú štruktúrovaní v metapopuláciách ako zdroje alebo záchyty. V terminológii metapopulácie existujú emigranti (osoby, ktoré opustia miesto) a prisťahovalci (osoby, ktoré sa na miesto presťahujú).

Metapopulačné modely skúmajú dynamiku lokalít v priebehu času, odpovedať otázky týkajúce sa priestorovej a demografickej ekológie. Dôležitým konceptom v ekológii metapopulácie je záchranný efekt, v ktorom malé oblasti nižšej kvality (t. j. umývadlá) sú podporované sezónnym prílevom nových prisťahovalcov.

Štruktúra metapopulácie sa vyvíja z roka na rok, kde niektoré oblasti klesajú, napríklad suché roky, a stávajú sa zdrojmi, keď sú podmienky priaznivejšie. Ekológovia používajú na vysvetlenie štruktúry metapopulácie zmes počítačových modelov a terénnych štúdií. Veková štruktúra obyvateľstva je prítomnosť zástupcov rôzneho veku v populácii.

Autoekológia

Starší termín autoekológia (z gréčtiny: αὐτο, auto," ja"; oíkos, oikos, "domácnosť" a λόγος, logá," vedomosti"), označuje približne rovnaký študijný odbor ako ekológia obyvateľstva. Vyplýva to z rozdelenia ekológie na autekológiu-štúdium jednotlivých druhov podľa vzťah k životnému prostrediu - a synekológia - štúdium skupín organizmov vo vzťahu k životnému prostrediu-alebo ekológia komunity. Odum (americký biológ) veril, že synekológia by sa mala rozdeliť na populačnú ekológiu, komunitnú ekológiu a ekológiu ekosystémov, pričom autoekológiu definuje ako "ekológiu druhov".

Biológovia však už nejaký čas uznávajú, že populácia je najvýznamnejšou úrovňou organizácie druhu, pretože na tejto úrovni je genofond druhov najkonzistentnejší. Odum v skutočnosti považoval " autoekológiu "za" súčasný trend " v ekológii (. teda. archaický výraz), hoci zahrnul "ekológiu druhov" ako jednu zo štyroch divízií ekológie.

Prvá publikácia časopisu " ekológia obyvateľstva "(pôvodne nazývaná "výskum ekológie obyvateľstva") bola publikovaná v roku 1952.

Vedecké články o populačnej ekológii nájdete aj v časopisoch o ekológii zvierat.

Populačná Dynamika

Populačná dynamika je odvetvie biologických vied, ktoré študuje veľkosť a vekové zloženie obyvateľstva ako dynamické systémy, ako aj biologické a ekologické procesy, ktoré ich poháňajú (napríklad pôrodnosť a úmrtnosť, ako aj prisťahovalectvo a emigrácia). Príkladmi scenárov sú starnutie obyvateľstva, jeho rast alebo zníženie.

Exponenciálny rast popisuje neregulovanú reprodukciu. To je veľmi nezvyčajné vidieť v prírode. Za posledných 100 rokov bol populačný rast exponenciálny.

Thomas Malthus veril, že rast populácie povedie k preľudneniu a hladovaniu kvôli nedostatku zdrojov vrátane potravín. V budúcnosti nebudú ľudia schopní uživiť veľké populácie. Biologický predpoklad exponenciálneho rastu je taký rastu za prihlásiť sa konštantný. Rast sa neobmedzuje iba na nedostatok zdrojov alebo predáciu.

Populačná dynamika bol široko používaný v niekoľkých aplikáciách teórie riadenia. Pomocou evolučnej teórie hier sú populačné hry široko používané v rôznych priemyselných a každodenných kontextoch. Používa sa hlavne v systémoch s viacerými vstupmi a viacerými výstupmi (MIMO), aj keď je možné ich prispôsobiť na použitie v systémoch s jedným vstupom a jedným výstupom (SISO). Niektoré príklady aplikácií sú vojenské kampane, prideľovanie zdrojov na distribúciu vody, odosielanie distribuovaných generátorov, laboratórne experimenty, problémy s dopravou, problémy s komunikáciou. Okrem toho s primeranou kontextualizáciou výrobných problémov sa dynamika obyvateľstva môže stať efektívnym a ľahko použiteľným riešenie, na problémy súvisiace s kontrolou. Uskutočnilo sa množstvo vedeckých štúdií, ktoré sa neustále vykonávajú.

Preľudnenie

K preľudneniu dochádza, keď populácia druhu prekročí nosnosť ekologického výklenku. Môže to byť dôsledok zvýšenia plodnosti (miera plodnosti), zníženia úmrtnosti, zvýšenia prisťahovalectva alebo nestabilného biomu a vyčerpania zdrojov. Navyše to znamená, že ak v jednom prostredí je príliš veľa ľudí, ľudia obmedzujú dostupné zdroje na prežitie. Veková štruktúra obyvateľstva nehrá osobitnú úlohu.

v divoký preľudnenie často spôsobuje nárast populácií predátorov. To má za následok kontrolu populácie koristi a zabezpečenie jej vývoja v prospech genetických vlastností, vďaka ktorým je menej zraniteľná voči predátorom (a predátor sa môže spoločne vyvíjať).

Pri absencii predátorov sú druhy viazané zdrojmi, ktoré môžu nájsť vo svojom prostredí, ale to nemusí nevyhnutne kontrolovať preľudnenie. Aspoň v krátkodobom horizonte. Bohatá ponuka zdrojov môže viesť k demografickému rozmachu, po ktorom nasleduje demografická kríza. Hlodavce, ako sú lemmings a hraboše, majú také cykly rýchleho rastu populácie a následného poklesu. Populácie zajacov snežných sa tiež dramaticky cyklicky menia, rovnako ako jeden z predátorov, ktorí ich lovia-rys ostrovid. Je oveľa jednoduchšie vysledovať tento trend ako identifikovať genóm populácie.