Wzrost liczby ludności

Modele populacji

Populacja ekologiczna to grupa osobników jednego gatunku żyjących na danym obszarze w tym samym czasie. Aby przetrwać, populacja musi albo rosnąć, albo utrzymywać swoją wielkość. Ekologia populacji to nauka o tym, jak wielkość populacji i rozkład wieku zmieniają się w czasie poprzez interakcje z innymi gatunkami i środowiskiem, a także z osobnikami własnego gatunku. Szczególnie ważną cechą, która jest badana przez ekologów, jest tempo, w jakim populacja rośnie lub maleje. Populacja rośnie, gdy jej wskaźnik urodzeń jest wyższy niż wskaźnik śmiertelności. Oznacza to, że rodzi się więcej potomstwa niż umiera osobniki. Jeśli jest odwrotnie i śmiertelność jest wyższa niż liczba urodzeń, populacja maleje, a jeśli nadal będzie się zmniejszać, w końcu wyginie.

Ekolodzy populacyjni budują modele, aby przewidzieć, jak wielkość populacji będzie się zmieniać w czasie. Dwa proste modele wzrostu populacji to wykładnicze (geometryczne) modele wzrostu i logistyczne modele wzrostu. Wykładnicze modele populacji są niezależne od zagęszczenia, co oznacza, że wskaźniki urodzeń i zgonów na mieszkańca pozostaną stałe niezależnie od liczby osób w populacji, dlatego populacje te rosną do nieskończoności. Jednak logistyczne modele wzrostu są zależne od zagęszczenia, dlatego tempo wzrostu populacji zależy od tego, ile osobników znajduje się obecnie w populacji. Wzrost geometryczny lub wykładniczy może nastąpić tylko wtedy, gdy zasoby są łatwo dostępne i mają nieograniczoną podaż. Na przykład w optymalnych warunkach wzrostu bakterie podążają za wykładniczym wzorcem wzrostu, przy czym każdy organizm wytwarza dwa dodatkowe organizmy rozmnażające się w następnym pokoleniu¹.

Wzrost wykładniczy

W przypadku populacji, która podąża za wykładniczym wzorcem wzrostu, ekolodzy populacyjni mogą oszacować liczbę osobników w następnym pokoleniu na podstawie wielkości początkowej populacji i tempa wzrostu, które reprezentuje proporcję nowego potomstwa wyprodukowanego na osobnika w każdym pokoleniu. Przy tempie wzrostu 0,05 5% osobników wydaje jedno potomstwo w następnym pokoleniu. W tym tempie potrzeba tylko 23 pokoleń, aby wyprodukować ponad milion potomstwa z 2 początkowego potomstwa przy wykładniczym wzroście. Niektóre bakterie mogą rosnąć i dzielić się bardzo szybko, a zatem byłyby w stanie stosunkowo szybko osiągnąć dużą liczebność populacji. Na przykład Escherichia coli może podwoić swoją populację w ciągu około 20 minut, podczas gdy wskaźnik dla Syntrophobacter fumaroxidans wynosi 140^godzin2.

Wzrost geometryczny lub wykładniczy nie może trwać wiecznie, ponieważ w końcu zasoby takie jak żywność czy przestrzeń zostaną wyczerpane, a organizmy zaczną umierać szybciej lub wolniej się rozmnażać. Maksymalna liczba osobników w populacji, która może być utrzymywana w oparciu o zasoby w środowisku, jest znana jako nośność (K). Gdy na danym obszarze znajduje się więcej osobników, niż obszar ten może utrzymać, mówi się, że nośność jest przekroczona. Naturalne populacje mogą przekroczyć nośność tylko na krótko, zanim brak zasobów doprowadzi do zwiększonej śmiertelności i/lub zmniejszonej reprodukcji.

Rozwój logistyki

Populacje wielu gatunków podążają za logistycznym wzorcem wzrostu, w którym tempo wzrostu populacji zależy od jej aktualnej wielkości. W związku z tym tempo wzrostu logistyki jest zmienne, w przeciwieństwie do stałego tempa wzrostu modelu wykładniczego. Gdy populacja zbliża się do swojej nośności, jej wzrost zaczyna spadać, aż liczba osobników osiągnie lub na krótko przekroczy nośność, a następnie utrzyma wielkość bliską nośności. Uwzględniając nośność, która reprezentuje ograniczone zasoby populacji, modele logistyczne uwzględniają bardziej realistyczną relację między organizmem a jego środowiskiem.

Dynamika populacji

Zaawansowane modele dynamiki populacji obejmują zmienne reprezentujące rzeczywiste interakcje między różnymi populacjami. Jednym z takich przykładów, który reprezentuje dwie oddziałujące na siebie populacje, jest model drapieżnik-ofiara, który został niezależnie opracowany przez matematyków Alfreda J. Lotkę i Vito Volterrę w latach dwudziestych XX wieku. W rzeczywistości modele drapieżnik-ofiara zostały przystosowane do różnych interakcji między gatunkami i nadal są używane w dostosowanych formach prawie sto lat po ich opracowaniu. Jedna populacja to gatunek drapieżny, jak zające, a druga to drapieżnik, jak wilki, które żywią się zdobyczą. Gatunki ściśle ze sobą współdziałają, ponieważ wilk potrzebuje zająca jako źródła pożywienia, dlatego ich wskaźnik urodzeń zależy od ilości spożywanej zdobyczy i tego, jak skutecznie przekształcają ten pokarm w produkcję nowego potomstwa. Populacje ofiar są zależne od populacji drapieżników, ponieważ ich śmiertelność zależy od liczby zdobyczy, które są zjadane przez drapieżniki w pokoleniu. Ścisła interakcja między gatunkami może skutkować oscylacyjnymi wzorcami między ich populacjami.

Modele dynamiki populacji mają różnorodne zastosowania w biologii konserwatorskiej. Zmiana modeli w celu przewidywania ryzyka wyginięcia gatunków jest szczególnie ważna dla ochrony zagrożonych gatunków, ponieważ utrata jednego gatunku może skutkować stratami dla innych gatunków w sieci pokarmowej. Wymieranie gatunków drapieżników na całym świecie budzi ogromne zaniepokojenie i może skutkować niestabilnością i wyginięciem gatunków drapieżnych. Zaawansowane modelowanie i planowanie ochrony pomogą chronić gatunki w zmieniającym się świecie.

Modele drapieżnik-ofiara zostały również przystosowane do badania interakcji konkurencyjnych, w których wiele gatunków konkuruje ze sobą o zasoby. Modele te mogą być wykorzystywane do przewidywania, które gatunki "wygrają" interakcje konkurencyjne i zostały zastosowane do rozprzestrzeniania się gatunków obcych, aby przewidzieć, czy gatunek będzie w stanie osiedlić się na nowym obszarze i czy istnieje prawdopodobieństwo, że stanie się inwazyjny. W większości zastosowań naturalnych modele muszą uwzględniać wiele zasobów, które są dostępne dla gatunków, oraz złożoną sieć interakcji między organizmami. Na przykład skrzydlica pochodząca z Indo-Pacyfiku jest inwazyjna w Atlantyku i na Karaibach. Skrzydlica może rozmnażać się przez cały rok, nie ma naturalnych drapieżników i może spożywać wiele rodzimych gatunków ryb w niezrównoważonym tempie, co trwale zmienia ekosystemy Atlantyku i Karaibów. Wykorzystanie modeli wzrostu populacji umożliwiło naukowcom ustalenie, że około jedna czwarta całej populacji skrzydlic musi być usuwana z ekosystemu każdego miesiąca tylko po to, aby zahamować wzrost populacji³.

Modele wzrostu populacji zostały dostosowane do populacji ludzkich za pomocą demografii, która jest badaniem wskaźników urodzeń, śmiertelności i statystyk związanych z wielkością populacji na podstawie grup wiekowych. Tempo wzrostu krajów i innych okręgów politycznych można prognozować za pomocą danych demograficznych, co jest ważne przy planowaniu infrastruktury w miejscowościach. W związku z tym zastosowanie modeli wzrostu populacji jest ważne dla planowania wzrostu populacji ludzkiej. Co więcej, model Lotka-Volterra został również zastosowany do badania i przewidywania konkurencji przedsiębiorstw, co dodatkowo demonstruje wszechstronność modeli wzrostu populacji w dziedzinach niezwiązanych z biologią⁴.

Odwołania

1. Ghislain Y. Gangwe Nana, Camille Ripoll, Armelle Cabin-Flaman, David Gibouin, Anthony Delaune, Laurent Janniere, Gerard Grancher, Gaelle Chagny, Corinne Loutelier-Bourhis, Esther Lentzen, Patrick Grysan, Jean-Nicolas Audinot, Vic Norris. Różnorodność tempa wzrostu bakterii w zależności od podziałów. Przód Microbiol. 2018, Vol. 9, 849 (doi: 10.3389/fmicb.2018.00849).
2. Beth Gibson, Daniel J. Wilson, Edward Feil, Adam Eyre-Walker. Rozkład czasu podwajania się bakterii w środowisku naturalnym. Proc Biol Sci. . 2018, tom 285, 1880 (20180789).
3. Rice, James A. MorrisJr.Email autorKyle W. ShertzerJames A. Macierzowy model populacji inwazyjnych skrzydlic oparty na etapach z implikacjami dla kontroli. Inwazje biologiczne. 2011, Vol. 13, 1 (7-12).
4. Ofer Malcai, Ofer Biham, Peter Richmond i Sorin Solomon. Analiza teoretyczna i symulacje uogólnionego modelu Lotki-Volterry. Ks. E. 2002, Vol. 66, 3.

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się nad wpływem na środowisko ryb hodowanych w gospodarstwach rolnych lub dziko żyjących? Możemy badać wpływ tych praktyk na środowisko, przyglądając się wzrostowi populacji. Grupa osobników jednego gatunku, żyjących na danym obszarze w tym samym czasie, nazywana jest populacją.

W naturze populacje ryb rosną w szybkim tempie, gdy zasoby są obfite. Jednak wzrost populacji spowalnia, gdy jej wielkość zbliża się do nośności, k, która jest maksymalną wielkością populacji dozwoloną przez zasoby w siedlisku. Ten rodzaj wzrostu populacji jest znany jako wzrost logistyczny. Jeśli znamy wielkość populacji obecnego pokolenia lub Nt, maksymalną stopę wzrostu, r-max, która jest współczynnikiem reprodukcji jednego osobnika, gdy nie ma konkurencji, oraz nośność, możemy użyć wzoru na wzrost logistyczny, aby oszacować wielkość populacji następnego pokolenia.

W gospodarstwach rybnych zasoby, takie jak dodatkowa żywność i tlen, są sztucznie dodawane do stosunkowo niewielkiej powierzchni mieszkalnej, co pozwala na zagęszczenie populacji przekraczające naturalną pojemność. Jednak przeludnienie uwalnia nadmiar biomateriałów, co może prowadzić do zakwitów glonów. Jeśli zasoby te pozostaną wysokie, sinice lub sinice mogą nadal dzielić się w tym samym tempie wzrostu. Wzrost ten nie ogranicza się do nośności. Ze względu na ciągły wzrost zasobów. W związku z tym rośnie wykładniczo, a wielkość następnego pokolenia we wzroście wykładniczym można obliczyć za pomocą tego wzoru. Zakwity glonów, takie jak ten, wyczerpują rozpuszczony tlen w wodzie i są szkodliwe dla ryb hodowlanych i ekosystemu wokół obiektu, co wymaga ostrożnych praktyk rolniczych.

Połowy dzikich populacji mogą również mieć wpływ na ekosystemy. Jeśli rybacy usuwają osobniki szybciej, niż populacja jest w stanie uzupełnić je nowymi rybami, populacje stają się mniejsze i mogą mieć trudności z odbiciem się, jeśli presja drapieżników utrzyma się w tym samym tempie. To z kolei może zaburzyć równowagę między gatunkami drapieżników i ofiar. Naukowcy mogą oszacować rozmiary przyszłych populacji ofiar i drapieżników, czyli odpowiednio Vt +1 i Ct +1, o ile znają obecne rozmiary obu populacji, Vt i Ct, tempo wzrostu drapieżników i ofiar, f i r, oraz wskaźniki ataków i głodu drapieżników, a i q. Zazwyczaj duża populacja drapieżników zmniejsza wielkość populacji ofiar. Ale wtedy mniejsza dostępna pula zdobyczy z kolei zmniejszy populację drapieżników. Posiadanie mniejszej liczby drapieżników pozwala zdobyczy ponownie się rozwijać, a obie populacje będą z czasem naturalnie oscylować tam iz powrotem. Reguła oscylacji jest dobrym sposobem na wizualizację wielu naturalnych interakcji drapieżnik-ofiara, ale czasami reguła ta nie ma zastosowania.

U gatunków inwazyjnych, takich jak skrzydlica w Atlantyku i na Karaibach, z dala od swoich rodzimych wód oceanów Indo-Pacyfiku, nie mają naturalnych drapieżników i mogą rozmnażać się przez cały rok. Ale jako drapieżnik ogólny, konsumuje wiele rodzimych gatunków w niezrównoważonym tempie, trwale zmieniając ekosystemy Atlantyku i Karaibów. Stosując wykładniczy model wzrostu, który widzieliśmy w przykładzie z algami, naukowcy ustalili, że około jedna czwarta całej populacji skrzydlic musiałaby być usuwana co miesiąc, aby utrzymać ich wzrost na zrównoważonym poziomie. Dlatego jedzenie dziko złowionych skrzydlic atlantyckich i innych jadalnych gatunków inwazyjnych w rzeczywistości wspiera zdrowie ekosystemów.