Динамика популяций и их взаимодействие с окружающей средой.

Введение

Изучение динамики популяций видов и того, как эти популяции взаимодействуют с окружающей средой.

Популяционная экология – это раздел экологии, изучающий динамику численности популяций видов и их взаимодействие с окружающей средой, включая рождаемость, смертность, иммиграцию и эмиграцию. Эта дисциплина имеет важное значение для биологии сохранения, особенно при разработке анализа жизнеспособности популяций, позволяющего прогнозировать долгосрочные перспективы существования вида на определенной территории. Несмотря на то, что популяционная экология является частью биологии, она ставит интересные задачи перед математиками и статистиками, работающими в области динамики популяций.

Экспоненциальный рост против логистического роста

При описании моделей роста существует два основных типа моделей, которые наиболее часто используются: экспоненциальный и логистический рост. Если удельный темп прироста остаётся постоянным положительным значением вне зависимости от численности популяции, график демонстрирует экспоненциальный рост. Экспоненциальный рост основывается на предположении о неограниченности ресурсов и отсутствии хищничества. Примером экспоненциального роста популяции является популяция попугаев-монахов в Соединенных Штатах. Изначально родом из Южной Америки, эти попугаи были либо выпущены на волю, либо сбежали от своих владельцев. В период с 1975 по 1994 год численность этих птиц выросла примерно в 55 раз по сравнению с 1975 годом. Вероятно, этот рост обусловлен размножением внутри популяции, а не прибытием новых птиц из Южной Америки (Van Bael & Prudet Jones 1996). Если удельный темп прироста уменьшается по мере приближения численности популяции к максимальному пределу, или ёмкости среды, график демонстрирует логистический рост. На ёмкость среды популяции влияют экологические и социальные факторы, а также множество других, что означает её способность к изменению (Schacht 1980).

r/K выбор

Важной концепцией в популяционной экологии является теория r/K-отбора. Например, если у животного есть выбор – произвести одного или нескольких потомков, или вложить много или мало усилий в потомство – все это примеры компромиссов. Для процветания виды должны выбирать наиболее подходящую стратегию, что приводит к четкому разграничению между видами, отбираемыми по типу r и K. Первая переменная – r (внутренний темп естественного прироста численности популяции, не зависящий от плотности), а вторая – K (емкость среды, зависящая от плотности). Важно понимать разницу между факторами, не зависящими от плотности, при определении темпа прироста, и факторами, зависящими от плотности, при определении емкости среды. Емкость среды наблюдается только в популяциях, зависящих от плотности. Факторы, зависящие от плотности и влияющие на емкость среды, включают хищничество, сбор урожая и генетику, поэтому при определении емкости среды важно учитывать уровни хищничества или интенсивность сбора урожая, влияющие на популяцию (Stewart 2004). Вид, отбираемый по типу r (например, многие виды насекомых, такие как тли), характеризуется высокой плодовитостью, низким уровнем родительских инвестиций в потомство и высокой смертностью до достижения половой зрелости. Эволюция благоприятствует продуктивности у видов, отбираемых по типу r. В отличие от этого, вид, отбираемый по типу K (например, человек), характеризуется низкой плодовитостью, высоким уровнем родительских инвестиций в потомство и низкой смертностью по мере взросления. Эволюция у видов, отбираемых по типу K, благоприятствует эффективности преобразования большего количества ресурсов в меньшее количество потомков. Виды, отбираемые по типу K, обычно испытывают более сильную конкуренцию, и их популяции, как правило, существуют вблизи емкости среды. Эти виды вкладывают значительные ресурсы в потомство, что приводит к увеличению продолжительности жизни организмов и более длительному периоду созревания. Потомство видов, отбираемых по типу K, обычно имеет более высокую вероятность выживания благодаря интенсивной родительской заботе и воспитанию.

An important concept in population ecology is the r/K selection theory. For example, if an animal has the choice of producing one or a few offspring, or to put a lot of effort or little effort in offspring—these are all examples of trade offs. In order for species to thrive, they must choose what is best for them, leading to a clear distinction between r and K selected species. The first variable is r (the intrinsic rate of natural increase in population size, density independent) and the second variable is K (the carrying capacity of a population, density dependent). It is important to understand the difference between density independent factors when selecting the intrinsic rate and density dependent for the selection of the carrying capacity. Carrying capacity is only found during a density dependent population. Density dependent factors influence the carrying capacity are predation, harvest, and genetics, so when selecting the carrying capacity it is important to understand to look at the predation or harvest rates that influence the population (Stewart 2004). An r selected species (e. g., many kinds of insects, such as aphids) is one that has high rates of fecundity, low levels of parental investment in the young, and high rates of mortality before individuals reach maturity. Evolution favors productivity in r selected species. In contrast, a K selected species (such as humans) has low rates of fecundity, high levels of parental investment in the young, and low rates of mortality as individuals mature. Evolution in K selected species favors efficiency in the conversion of more resources into fewer offspring. K selected species generally experience stronger competition, where populations generally live near carrying capacity. These species have heavy investment in offspring, resulting in longer lived organisms, and longer period of maturation. Offspring of K selected species generally have a higher probability of survival, due to heavy parental care and nurturing.

Контроль снизу вверх

С другой стороны, контроль снизу вверх определяется производителями в экосистеме. Если численность популяций растений изменится, это повлияет на численность всех видов. Например, если численность растений значительно уменьшится, численность травоядных уменьшится, что, в свою очередь, приведет к уменьшению численности хищников. Следовательно, если все растения исчезнут, экосистема разрушится. Другой пример: если растений будет слишком много, две популяции травоядных могут начать конкурировать за одну и ту же пищу. Эта конкуренция приведет к вытеснению одной из популяций.

Кривая выживаемости

Кривые выживаемости – это графики, показывающие распределение числа выживших особей в популяции по возрасту. Кривые выживаемости играют важную роль в сравнении поколений, популяций или даже различных видов. Кривая выживаемости типа I характеризуется тем, что смертность наступает в поздние годы жизни организма (в основном у млекопитающих). Иными словами, большинство организмов достигает максимальной ожидаемой продолжительности жизни, а ожидаемая продолжительность жизни и возраст смерти тесно связаны (Demetrius, 1978). Как правило, кривые выживаемости типа I характерны для видов с K-стратегией. Кривая выживаемости типа II показывает, что вероятность смерти одинакова в любом возрасте. Это означает, что шансы на смерть не зависят от возраста особи и не подвержены его влиянию. Кривые выживаемости типа III указывают на низкую выживаемость в раннем возрасте, но после определенного возраста вероятность выживания значительно возрастает. Кривая выживаемости типа III обычно характерна для видов с r-стратегией.

Метапопуляция

Популяции также изучаются и концептуализируются с помощью концепции "метапопуляции". Концепция метапопуляции была предложена в 1969 году как "популяция популяций, локально вымирающих и вновь заселяемых". Метапопуляционная экология представляет собой упрощенную модель ландшафта, разделенного на участки различного качества. Участки могут быть заняты или свободны. Мигрирующие между участками особи структурируют метапопуляции, выступая в роли источников или поглотителей. Источники – это продуктивные участки, обеспечивающие сезонный приток мигрантов в другие места. Поглотители – это непродуктивные участки, принимающие только мигрантов. В терминологии метапопуляций выделяют эмигрантов (особи, покидающие участок) и иммигрантов (особи, прибывающие на участок). Модели метапопуляций исследуют динамику участков во времени, чтобы ответить на вопросы пространственной и демографической экологии. Важной концепцией в метапопуляционной экологии является эффект спасения, когда небольшие участки низкого качества (то есть, поглотители) поддерживаются сезонным притоком новых иммигрантов. Структура метапопуляции меняется из года в год: некоторые участки становятся поглотителями, например, в засушливые годы, а затем превращаются в источники при более благоприятных условиях. Экологи используют сочетание компьютерных моделей и полевых исследований для объяснения структуры метапопуляции. Метапопуляционная экология позволяет экологам учитывать широкий спектр факторов при изучении метапопуляции, таких как генетика и эффект "бутылочного горлышка", и многие другие. Данные о метапопуляциях чрезвычайно полезны для понимания динамики популяций, поскольку большинство видов нечисленны и нуждаются в специфических ресурсах от своих местообитаний. Кроме того, метапопуляционная экология позволяет глубже понять последствия потери среды обитания и может помочь предсказать будущее местообитаний. В частности, метапопуляционная экология предполагает, что до того, как среда обитания станет непригодной для жизни, виды, населяющие ее, эмигрируют или вымрут. Эта информация помогает экологам определить, можно ли что-либо сделать для сохранения ухудшающейся среды обитания. В целом, информация, предоставляемая метапопуляционной экологией, полезна экологам во многих отношениях (Hanski 1998).

Populations are also studied and conceptualized through the "metapopulation" concept. The metapopulation concept was introduced in 1969: "as a population of populations which go extinct locally and recolonize." Metapopulation ecology is a simplified model of the landscape into patches of varying levels of quality. Patches are either occupied or they are not. Migrants moving among the patches are structured into metapopulations either as sources or sinks. Source patches are productive sites that generate a seasonal supply of migrants to other patch locations. Sink patches are unproductive sites that only receive migrants. In metapopulation terminology there are emigrants (individuals that leave a patch) and immigrants (individuals that move into a patch). Metapopulation models examine patch dynamics over time to answer questions about spatial and demographic ecology. An important concept in metapopulation ecology is the rescue effect, where small patches of lower quality (i. e., sinks) are maintained by a seasonal influx of new immigrants. Metapopulation structure evolves from year to year, where some patches are sinks, such as dry years, and become sources when conditions are more favorable. Ecologists utilize a mixture of computer models and field studies to explain metapopulation structure. Metapopulation ecology allows for ecologists to take in a wide range of factors when examining a metapopulation like genetics, the bottle neck effect, and many more. Metapopulation data is extremely useful in understanding population dynamics as most species are not numerous and require specific resources from their habitats. In addition, metapopulation ecology allows for a deeper understanding of the effects of habitat loss, and can help to predict the future of a habitat. To elaborate, metapopulation ecology assumes that, before a habitat becomes uninhabitable, the species in it will emigrate out, or die off. This information is helpful to ecologists in determining what, if anything, can be done to aid a declining habitat. Overall, the information that metapopulation ecology provides is useful to ecologists in many ways (Hanski 1998).

Журналы

Первый номер журнала Общества по экологии популяций, под названием "Экология популяций" (первоначально называвшийся "Исследования в области экологии популяций"), был опубликован в 1952 году. Научные статьи по экологии популяций также можно найти в журналах "Journal of Animal Ecology", "Oikos" и других изданиях.