Name: population models and carrying capacity
Uploaded: 2019-01-29T11:04:46.000Z
Duration: 4 min 45 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Louisiana Student Standards for Science

High School

Environmental Science

Resources And Resource Management

HS-EVS1-2

Population Growth

養殖魚や天然魚の環境への影響について考えたことはありますか?これらの慣行の生態学的影響は、人口増加を見ることで研究できます。ある地域に同時に生息する単一の種の個体群を集団と呼びます。
自然界では、資源が豊富なときに魚の個体数が急速に増加します。ただし、そのサイズが環境収容力k(生息地のリソースによって許容される最大人口サイズ)に近づくと、人口増加は鈍化します。このタイプの人口増加は、ロジスティック成長として知られています。現在の世代の個体群サイズ、つまりNt、最大成長率、r-max、つまり競争相手が存在しない場合の1個体の繁殖率、および環境収容力がわかれば、ロジスティック成長の公式を使用して次世代の個体群サイズを推定できます。
養魚場では、比較的狭い生活圏に余分な食料や酸素などの資源が人工的に追加され、自然の環境収容力を超える人口密度を可能にしています。しかし、過密状態になると過剰な生体材料が放出され、これが藻類の異常発生につながる可能性があります。これらの資源が高いままであれば、シアノバクテリアや藍藻類は同じ成長率で分裂し続けることができます。そして、この成長は環境収容力に限定されません。リソースの継続的な増加によるものです。したがって、指数関数的に増加し、指数関数的成長における次世代のサイズは、この式を使用して計算できます。このように藻類の異常発生は、水中の溶存酸素を枯渇させ、養殖魚や施設周辺の生態系に悪影響を与えるため、慎重な養殖が必要です。
野生の個体群を漁ることは、生態系にも影響を与える可能性があります。漁師が個体群が新しい魚を補充するよりも早く個体を駆除すると、個体数は小さくなり、捕食圧力が同じ速度で続くと、回復に苦労する可能性があります。これにより、捕食者と被食者のバランスが崩れる可能性があります。科学者は、VtとCt、捕食者と被食者の成長率、fとr、および捕食者の攻撃と飢餓の速度、および捕食者の攻撃率と飢餓率、aとqの現在の人口のサイズを知っている限り、将来の被食者と捕食者の個体群のサイズ、またはそれぞれVt +1とCt +1を推定できます。通常、捕食者の個体数が多いと、被食者の個体数が減少します。しかし、その後、利用可能な獲物のプールが小さくなればなるほど、捕食者の個体数が減少します。捕食者が少なければ、獲物は再び繁栄し、2つの集団は時間の経過とともに自然に前後に振動します。振動ルールは、多くの自然の捕食者と被食者の相互作用を視覚化するのに適した方法ですが、場合によっては、このルールが適用されない場合があります。
大西洋やカリブ海に生息するミノカサゴのような外来種では、インド太平洋の原産地から遠く離れているため、天敵はおらず、一年中繁殖することができます。しかし、ジェネラリストの捕食者として、彼らは持続不可能な速度で多数の在来種を消費し、大西洋とカリブ海の生態系を永久に変えています。藻類の例で見た指数関数的成長モデルを適用して、科学者たちは、ミノカサゴの全個体数の約4分の1を毎月除去する必要があると判断しました。したがって、天然で捕獲された大西洋ミノカサゴやその他の食用侵入種を食べることは、実際には生態系の健康をサポートします。

人口増加

<h4>母集団モデル</h4>
生態学的集団とは、ある地域に同時に生息する単一の種の個体のグループです。存続するには、個体群は成長するか、そのサイズを維持する必要があります。個体群生態学とは、個体群の個体だけでなく、他の種や環境との相互作用を通じて、個体数や年齢分布が時間とともにどのように変化するかを研究する学問です。生態学者によって研究されている特に重要な特徴は、人口が増加または減少する速度です。人口は、出生率が死亡率よりも大きいときに増加します。つまり、個体が死んでいる子孫よりも多くの子孫が生まれているのです。その逆で、死亡率が出生率よりも大きい場合、人口は減少傾向にあり、減少し続けると最終的には絶滅します。
個体群生態学者は、人口の規模が時間の経過とともにどのように変化するかを予測するモデルを構築します。人口増加の 2 つの単純なモデルは、指数関数的 (幾何学的) 成長モデルとロジスティック成長モデルです。指数人口モデルは密度に依存しないため、人口に何人の個人がいるかに関係なく、一人当たりの出生率と死亡率は一定に保たれるため、これらの人口は無限に増加します。ただし、ロジスティック成長モデルは密度に依存するため、人口の成長率は、現在人口に何人の個人がいるかに依存します。幾何学的または指数関数的な成長は、リソースがすぐに利用可能で、無制限に供給されている場合にのみ発生します。例えば、最適な成長条件下では、バクテリアは指数関数的な成長パターンをたどり、各生物は次の世代でさらに2つの繁殖生物を産生します1。
<h4>指数関数的な成長</h4>
指数関数的な成長パターンに従う集団の場合、集団生態学者は、初期人口のサイズと成長率 (各世代の個体ごとに生産される新しい子孫の割合を表す) に基づいて、次世代の個体数を推定できます。成長率が0.05の場合、個体の5%が次の世代で1人の子孫を産みます。この速度では、指数関数的な成長の下で2つの最初の子孫から100万以上の子孫を生み出すには、わずか23世代しかかかりません。一部の細菌は非常に急速に成長および分裂する可能性があるため、比較的迅速に多数の個体群に到達できます。たとえば、大腸菌は約20分でその人口を倍増させることができますが、Syntrophobacter fumaroxidansの割合は140時間です2。
幾何学的または指数関数的な成長は、最終的には食料や宇宙などの資源が枯渇し、生物がより早く死滅するか、繁殖が遅くなり始めるため、永遠に続くことはできません。環境内の資源に基づいてサポートできる人口内の最大個体数は、環境収容力 (K) と呼ばれます。エリアにそのエリアがサポートできるよりも多くの個人が存在する場合、環境収容力を超えていると言われます。自然個体群が環境収容力を超えるのは、資源の不足が死亡率の増加や繁殖の減少につながる前に、ほんの一瞬だけである。
<h4>物流の成長</h4>
多くの種の個体群は、個体群の成長率が現在のサイズに依存するロジスティック成長パターンに従います。したがって、ロジスティック成長率の成長率は、指数モデルの一定の成長率とは対照的に変動します。人口がその収容力に近づくと、その成長は減少し始め、個体数が収容力に達するか一時的に超え、その後、収容力に近いサイズを維持します。ロジスティックモデルは、個体群の限られた資源を表す環境収容力を組み込むことにより、生物とその環境との間のより現実的な関係を考慮します。
<h4>人口動態</h4>
人口動態の高度なモデルには、異なる集団間の現実世界の相互作用を表す変数が含まれます。相互作用する2つの集団を表すそのような例の1つは、1920年代に数学者のアルフレッド・J・ロトカとヴィト・ヴォルテッラによって独立して開発された捕食者-被食者モデルです。実際、捕食者と被食者のモデルは、さまざまな種の相互作用に適応しており、開発されてから約100年経った今でも、適応された形で使用され続けています。一方の個体群はウサギのような獲物種であり、もう一方はオオカミのような捕食者で、獲物を食べます。オオカミは食料源としてウサギを必要とするため、出生率は彼らが消費する獲物の量と、この食物を新しい子孫を生み出すためにどれだけ効果的に変換するかに依存するため、種は密接に相互作用しています。獲物の個体数は、その死亡率が一世代に捕食者によって食べられる獲物の数に依存するため、捕食者の個体数に依存しています。種の密接な相互作用により、それらの集団間で振動パターンが示される可能性があります。
個体群動態のモデルは、保全生物学においてさまざまな用途があります。種の絶滅リスクを予測するためにモデルを変更することは、絶滅危惧種の保護を支援するために特に重要です。なぜなら、1つの種が失われると、食物網内の他の種が失われる可能性があるためです。世界中の捕食者の種の絶滅は大きな懸念事項であり、獲物種の不安定化と絶滅につながる可能性があります。高度なモデリングと保全計画は、変化する世界で種を保護するのに役立ちます。
捕食者と被食者のモデルは、複数の種が資源をめぐって互いに競争する競争的相互作用の研究にも適応されています。これらのモデルは、どの種が競争の相互作用に「勝つ」かを予測するために使用でき、種が新しい地域に定着できるかどうか、およびそれらが侵略的になる可能性があるかどうかを予測するために、外来種の広がりに適用されています。ほとんどの自然界のアプリケーションでは、モデルは種が利用できる多くのリソースと、生物間の複雑な相互作用の網を考慮する必要があります。たとえば、インド太平洋原産のミノカサゴは、大西洋とカリブ海に侵入します。ミノカサゴは一年中繁殖でき、天敵はおらず、大西洋とカリブ海の生態系を恒久的に変える持続不可能な速度で多数の在来魚種を消費する可能性があります。人口増加モデルを使用することで、科学者たちは、人口増加を阻害するためだけに、ミノカサゴの全個体数の約4分の1を毎月生態系から取り除く必要があると判断することができました3。
人口増加モデルは、出生率、死亡率、および年齢グループに基づく人口規模に関連する統計の研究である人口統計学を使用して、人間の人口に適合するように適応されています。国やその他の政治区域の成長率は、人口統計データを使用して予測でき、これは地域のインフラストラクチャを計画するために重要です。したがって、人口増加モデルの適用は、人口の増加を計画するために重要です。さらに、Lotka-Volterraモデルは、ビジネスの競争を研究および予測するためにも適用されており、生物学以外の分野への人口増加モデルの多様性をさらに実証しています4。
<h4>参照</h4>
<ol class="references">
	<li>ギスラン・Y・ガングウェ・ナナ、カミーユ・リポール、アルメル・キャビン・フラマン、デビッド・ギブアン、アンソニー・ドローヌ、ローラン・ジャニエール、ジェラール・グランシェ、ガエル・シャニー、コリーヌ・ルトリエ・ブルヒス、エスター・レンツェン、パトリック・グリサン、ジャン・ニコラス・オーディノ、ヴィック・ノリス。細菌の分割ベースの成長率の多様性。フロントマイクロバイオール。 2018年、第9巻、849(doi:10.3389 / fmicb.2018.00849)。</li>
	<li>ベス・ギブソン、ダニエル・J・ウィルソン、エドワード・フェイル、アダム・エア・ウォーカー。野生での細菌の倍加時間の分布。プロクバイオルサイ。 。2018年、第285巻、1880年(20180789年)。</li>
	<li>ライス、ジェームズA.MorrisJr.Email 著者カイルW.シェルツァージェームズA.防除への影響を伴う侵略的なミノカサゴのステージベースのマトリックス個体群モデル。生物学的侵入。 2011年、第13巻、1(7-12)。</li>
	<li>オフェル・マルカイ、オフェル・ビハム、ピーター・リッチモンド、ソリン・ソロモン。一般化Lotka-Volterraモデルの理論解析とシミュレーション物理学 Rev. E. 2002年、第66巻、3。</li>
</ol>

母集団モデル
生態学的集団とは、ある地域に同時に生息する単一の種の個体のグループです。存続するためには、人口は...

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生態学

population models and carrying capacity

Population ecology examines how a species population changes over time. A population is a group of individuals of the same species living in the same area at the same time. To persist, a population must grow or at least stay about the same size. Ecologists study birth rate, death rate, and age distribution to understand whether a population is increasing, declining, or at risk of extinction.

Population ecologists use models to predict how population size changes. Two simple models are exponential growth and logistic growth. Exponential growth is density-independent, which means birth and death rates stay constant no matter how many individuals are present. Logistic growth is density-dependent, so the growth rate changes as population size changes.

Exponential growth happens when resources are easy to find and remain unlimited. Under ideal conditions, bacteria can follow this pattern, and each organism can produce two more reproducing organisms in the next generation. If the growth rate is 0.05, then 5% of individuals produce one offspring in the next generation. Starting with 2 individuals, it could take only 23 generations to make more than a million offspring. Escherichia coli can double in about 20 minutes, while Syntrophobacter fumaroxidans takes about 140 hours.

Exponential growth cannot continue forever. Food, space, and other resources eventually run out. The maximum number of individuals an environment can support is called carrying capacity, or K. When a population goes above that limit, carrying capacity is exceeded, but natural populations usually only do this briefly before death rates rise or reproduction slows.

Many species follow logistic growth instead of exponential growth. In logistic growth, the growth rate is not constant. As the population gets closer to carrying capacity, growth slows down. The population then levels off near that limit. This makes logistic models a more realistic way to describe how organisms interact with their environment.

Population dynamics models can also include interactions between different species. A classic example is the predator-prey model, developed by Alfred J. Lotka and Vito Volterra in the 1920s. In this model, one population is the prey, such as hares, and the other is the predator, such as wolves. The wolf population depends on prey as a food source, and the prey population is affected by how many individuals are eaten. These interactions can create repeating rises and falls in both populations.

These models are useful in conservation biology. Scientists can change them to estimate extinction risk, which helps protect endangered species. The loss of one species can affect others in the food web, and the worldwide loss of predator species can make ecosystems unstable and cause prey species to decline as well. Careful modeling and conservation planning can help protect species in a changing world.

Population models have also been adapted to study competition between species. They can help predict which species may win when resources are limited, and they are used to study whether non-native species can establish in a new area or become invasive. Lionfish provide a clear example. Native to the Indo-Pacific, they are invasive in the Atlantic and Caribbean, where they reproduce all year, have no natural predators, and consume many native fish species at unsustainable rates. Population models show that about a quarter of the lionfish population must be removed each month just to slow its growth.

The same ideas are also used for human populations through demography, the study of birth rates, death rates, and age-based statistics. Demographic data can help forecast growth in countries and other political districts, which is important for planning infrastructure. The Lotka-Volterra model has even been used to study competition between businesses. This shows that population growth models are useful well beyond biology.

Population Models and Carrying Capacity

animal behavior

Drosophila Taxis in Animal Behavior

Drosophila taxis behavior is a key part of animal behavior studies. The common fruit fly, Drosophila melanogaster, is a widely used model organism in biology. It is easy to keep in small tubes, it has a short generation time of about two weeks, and males and females are easy to tell apart because males have black coloration toward the posterior and females have banded abdomens. Scientists have used Drosophila for more than a century. Thomas Hunt Morgan and his students studied mutant flies in...

energy dynamics

Food Chain Energy Flow and Biomass

Food chain energy flow shows how energy moves through ecosystems from one organism to the next. Energy cannot be created or destroyed, so it can only change form or be passed along to another organism. When a cow grazes on grass or an osprey eats fish, energy moves to the consumer. Each transfer is part of a trophic level, and these links help explain how ecosystems stay balanced. Primary producers sit at the base of the food chain. They are autotrophs, or self-feeding organisms, because they...

measuring biodiversity

Why Biodiversity Matters in Ecosystems

Biodiversity matters because it helps keep ecosystems healthy and stable. Biodiversity is the variety of living organisms in an ecosystem, and it can be measured at the genetic, species, community, and ecosystem levels. Ecologists often focus on species richness, which is the total number of different species in a local community. They also consider evenness, which describes how similar the abundances of those species are. A community with many species is not always the most diverse if one...

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Mass extinction is a major loss of species, and the fossil record shows how these events changed life on Earth. Fossils from different rock layers helped scientists see that life has a long history. In the early 19th century, that idea helped launch paleontology, the study of fossils and ancient life. At first, many scientists did not fully accept that a species could disappear forever. They thought unknown organisms seen only in fossils might still live in unexplored places on Earth. By 1859,...

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Hawk-dove strategy helps explain how animals compete and cooperate in populations. Organisms often face costs when they try to get food, shelter, or mates. Because of that, individuals can use different behavioral strategies to gain an advantage. This is clear in polymorphic mating systems, where one sex, usually males, uses more than one mating strategy. For example, dominant male sea lions defend groups of females on the beach. Non-dominant males stay in or near the water and try to mate...

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ecology

Explore exponential and logistic growth, carrying capacity, predator-prey dynamics, and real-world uses of population models in ecology and demography.

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Ecosystems: Interactions, Energy And Dynamics

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Tennessee Academic Standards

Ecosystems: Interactions, Energy, and Dynamics

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Interdependent Relationships in Ecosystems

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Population Models and Carrying Capacity

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