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

Задумывались ли вы когда-нибудь о воздействии на окружающую среду рыбы, выращенной на ферме или выловленной в дикой природе? Мы можем изучить экологические последствия этих практик, глядя на рост населения. Группа особей одного вида, проживающих на территории в одно и то же время, называется популяцией. 
В природе популяции рыб растут с высокой скоростью, когда ресурсов много. Однако рост популяции замедляется, когда ее размер приближается к несущей способности, k, которая является максимальным размером популяции, допускаемым ресурсами в среде обитания. Этот тип роста населения известен как логистический рост. Если мы знаем размер популяции текущего поколения, или Nt, максимальный темп роста, r-max, который является коэффициентом воспроизводства одной особи при отсутствии конкуренции, и несущую способность, мы можем использовать формулу логистического роста для оценки размера популяции следующего поколения. 
На рыбных фермах такие ресурсы, как дополнительная пища и кислород, искусственно добавляются к относительно небольшой жилой площади, что позволяет увеличить плотность населения выше естественной несущей способности. Однако перенаселенность высвобождает избыток биоматериалов, и это может привести к цветению водорослей. Если эти ресурсы остаются высокими, цианобактерии или сине-зеленые водоросли могут продолжать делиться с той же скоростью роста. И этот рост не ограничивается несущей способностью. За счет постоянного увеличения ресурсов. Следовательно, он увеличивается экспоненциально, и по этой формуле можно рассчитать размер следующего поколения в экспоненциальном росте. Подобное цветение водорослей истощает растворенный кислород в воде и наносит ущерб выращиваемой рыбе и экосистеме вокруг объекта, что требует осторожных методов ведения сельского хозяйства. 
Вылов диких популяций также может повлиять на экосистемы. Если рыбаки удаляют особей быстрее, чем популяция может пополнить их новой рыбой, то популяции становятся меньше и могут с трудом восстановиться, если давление хищничества будет продолжаться с той же скоростью. Это, в свою очередь, может нарушить баланс между хищниками и жертвами. Ученые могут оценить размеры будущих популяций жертв и хищников, или Vt +1 и Ct +1, соответственно, если они знают текущие размеры обеих популяций, Vt и Ct, скорости роста хищников и жертв, f и r, а также скорость нападения хищников и голодания, a и q. Как правило, большая популяция хищника уменьшает размер популяции добычи. Но в этом случае, меньший доступный пул добычи, в свою очередь, уменьшит популяцию хищников. Меньшее количество хищников позволяет добыче снова процветать, и две популяции будут естественным образом колебаться взад и вперед с течением времени. Правило колебаний является хорошим способом визуализации многих естественных взаимодействий хищника и жертвы, но, в некоторых случаях, это правило не применяется. 
Инвазивные виды, такие как крылатки в Атлантике и Карибском бассейне, вдали от своих родных вод Индо-Тихоокеанского океана, не имеют естественных хищников и могут размножаться круглый год. Но, будучи универсальным хищником, они потребляют множество местных видов с неустойчивой скоростью, навсегда изменяя экосистемы Атлантики и Карибского бассейна. Применяя модель экспоненциального роста, которую мы видели в примере с водорослями, ученые определили, что примерно четверть всей популяции крылаток должна быть удалена каждый месяц, чтобы поддерживать их устойчивый рост. Таким образом, употребление в пищу выловленной в дикой природе атлантической крылатки и других съедобных инвазивных видов на самом деле поддерживает здоровье экосистем.

Рост населения

<h4>Популяционные модели</h4>
Экологическая популяция — это группа особей одного вида, проживающих на территории в одно и то же время. Чтобы выжить, популяция должна либо расти, либо поддерживать свой размер. Популяционная экология изучает, как размер популяции и возрастное распределение изменяются с течением времени в результате взаимодействия с другими видами и окружающей средой, а также с особями своего собственного вида. Особенно важной особенностью, которую изучают экологи, является скорость, с которой популяция растет или сокращается. Население растет, когда уровень рождаемости превышает уровень смертности. То есть потомства производится больше, чем умирает особей. Если верно обратное и уровень смертности превышает уровень рождаемости, население сокращается, а если оно продолжает сокращаться, то в конечном итоге вымрет.
Популяционные экологи строят модели для прогнозирования того, как размер популяций будет меняться с течением времени. Существуют две простые модели роста населения: экспоненциальная (геометрическая) модель роста и логистическая модель роста. Экспоненциальные модели популяции не зависят от плотности, что означает, что рождаемость и смертность на душу населения будут оставаться постоянными независимо от того, сколько особей в популяции, поэтому эти популяции увеличиваются до бесконечности. Тем не менее, логистические модели роста зависят от плотности, поэтому темпы роста популяции зависят от того, сколько особей в настоящее время находится в популяции. Геометрический или экспоненциальный рост может произойти только тогда, когда ресурсы легко доступны и находятся в неограниченном количестве. Например, при оптимальных условиях роста бактерии развиваются экспоненциально, при этом каждый организм производит два дополнительных размножающихся организма в следующем поколении.
<h4>Экспоненциальный рост</h4>
Для популяции, которая следует модели экспоненциального роста, популяционные экологи могут оценить количество особей в следующем поколении на основе размера исходной популяции и темпов роста, которые представляют собой долю нового потомства, произведенного на одну особь в каждом поколении. При темпе роста 0,05 5% особей производят по одному потомству в следующем поколении. При таких темпах потребовалось бы всего 23 поколения, чтобы произвести более миллиона потомков из двух начальных потомков при экспоненциальном росте. Некоторые бактерии могут расти и делиться очень быстро, и, таким образом, могут достичь большой численности популяции относительно быстро. Например, Escherichia coli может удвоить свою популяцию примерно за 20 минут, в то время как скорость для Syntrophobacter fumaroxidans составляет 140часов2.
Геометрический или экспоненциальный рост не может продолжаться вечно, так как в конечном итоге такие ресурсы, как пища или пространство, будут исчерпаны, и организмы начнут умирать быстрее или замедлять размножение. Максимальное количество особей в популяции, которое может поддерживаться на основе ресурсов окружающей среды, известно как несущая способность (K). Когда в районе существует больше особей, чем территория может вместить, считается, что пропускная способность превышена. Естественные популяции могут превысить несущую способность лишь на короткое время, прежде чем нехватка ресурсов приведет к увеличению смертности и/или снижению воспроизводства.
<h4>Логистический рост</h4>
Популяции многих видов следуют логистической модели роста, где темпы роста популяции зависят от ее текущего размера. Таким образом, темпы роста логистического роста являются переменными в отличие от постоянных темпов роста экспоненциальной модели. По мере того, как популяция приближается к своей несущей способности, ее рост начинает уменьшаться, пока количество особей не достигнет или кратковременно не превысит несущую способность и впоследствии не будет поддерживать размер, близкий к несущей способности. Включая несущую способность, которая представляет собой ограничивающие ресурсы популяции, логистические модели учитывают более реалистичные отношения между организмом и окружающей средой.
<h4>Динамика численности населения</h4>
Сложные модели динамики популяций включают переменные, представляющие реальные взаимодействия между отдельными популяциями. Одним из таких примеров, представляющих две взаимодействующие популяции, является модель хищника-жертвы, которая была независимо разработана математиками Альфредом Лоткой и Вито Вольтеррой в 1920-х годах. На самом деле, модели хищника-жертвы были адаптированы к различным видам взаимодействия и продолжают использоваться в адаптированных формах спустя почти столетие после их разработки. Одна популяция – это вид добычи, как зайцы, а другая – хищник, как волки, которые питаются добычей. Эти виды тесно взаимодействуют, потому что волк нуждается в зайце в качестве источника пищи, поэтому скорость их рождаемости зависит от количества добычи, которую они потребляют, и от того, насколько эффективно они превращают эту пищу в производство нового потомства. Популяции добычи зависят от популяции хищников, потому что уровень их смертности зависит от количества добычи, которую хищники съедают за поколение. Тесное взаимодействие видов может привести к колебательным паттернам, проявляющимся между их популяциями.
Модели динамики популяций имеют множество применений в биологии охраны природы. Изменение моделей для прогнозирования риска исчезновения видов особенно важно для защиты видов, находящихся под угрозой исчезновения, поскольку потеря одного вида может привести к потере других видов в пищевой цепи. Вымирание видов хищников во всем мире вызывает большую озабоченность и может привести к нестабильности и вымиранию видов добычи. Сложное моделирование и планирование охраны природы помогут защитить виды в меняющемся мире.
Модели хищник-жертва также были адаптированы для изучения конкурентных взаимодействий, в которых несколько видов конкурируют друг с другом за ресурсы. Эти модели могут быть использованы для прогнозирования того, какие виды «выиграют» конкурентные взаимодействия, и были применены к распространению неместных видов для прогнозирования того, сможет ли вид прижиться в новой области и могут ли они стать инвазивными. В большинстве естественных приложений модели должны учитывать множество ресурсов, доступных видам, и сложную сеть взаимодействий между организмами. Например, крылатки, обитающие в Индо-Тихоокеанском регионе, являются инвазивными в Атлантике и Карибском бассейне. Крылатки могут размножаться круглый год, не имеют естественных хищников и могут потреблять многочисленные местные виды рыб с неустойчивой скоростью, что навсегда меняет экосистемы Атлантики и Карибского бассейна. Использование моделей роста популяции позволило ученым определить, что примерно четверть всей популяции крылаток должна быть удалена из экосистемы каждый месяц только для того, чтобы задержать рост популяции.
Модели роста населения были адаптированы к человеческому населению с использованием демографии, которая изучает уровень рождаемости, смертность и статистику, связанную с численностью населения на основе возрастных групп. Темпы роста стран и других политических округов можно прогнозировать с помощью демографических данных, и это важно для планирования инфраструктуры на местах. Таким образом, применение моделей роста населения имеет важное значение для планирования роста человеческой популяции. Кроме того, модель Лотки-Вольтерры также была применена для изучения и прогнозирования конкуренции предприятий, что еще раз продемонстрировало универсальность моделей роста населения для областей за пределами биологии.
<h4>Ссылки</h4>
<ol class="ссылки">
	<li>Гислен И. Гангве Нана, Камилла Риполь, Армель Кабин-Фламан, Давид Гибуэн, Энтони Делон, Лоран Жаньер, Жерар Граншер, Гаэль Шаньи, Коринн Лутелье-Бурги, Эстер Ленцен, Патрик Гризан, Жан-Николя Аудио, Вик Норрис. Разнообразие темпов роста бактерий на основе деления. Фронт Микробиол. 2018, Том 9, 849 (doi: 10.3389/fmicb.2018.00849).</li>
	<li>Бет Гибсон, Дэниел Дж. Уилсон, Эдвард Фейл, Адам Эйр-Уокер. Распределение времени удвоения бактерий в дикой природе. Proc Biol Sci. . 2018, Том 285, 1880 (20180789).</li>
	<li>Райс, Джеймс А. MorrisJr.Email авторКайл В. ШерцерДжеймс А. Стадийная матричная модель популяции инвазивных крылаток с последствиями для контроля. Биологические инвазии. 2011, Том 13, 1 (7-12).</li>
	<li>Офер Малкай, Офер Бихам, Питер Ричмонд и Сорин Соломон. Теоретический анализ и моделирование обобщенной модели Лотки-Вольтерры. Phys. Rev. E. 2002, Том 66, 3.</li>
</ol>

Популяционные модели
Экологическая популяция — это группа особей одного вида, проживающих на территории в одно и то же время. Чтобы выжить, население должно...

Education

JoVE Lab Manual

Biology

Биология

Ecology

Экология

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...

extinction

Mass Extinction and the Fossil Record

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,...

species distribution and biogeography

Island Biogeography and Species Richness

Island biogeography explains why species are found in some places and not others. It looks at how biotic factors, like competition and predation, and abiotic factors, like habitat size and distance, shape birth, death, immigration, and emigration rates. For a species to avoid local extinction, births and immigration must match or exceed deaths and emigration. Edward O. Wilson and Robert MacArthur helped define this field in 1967 by studying isolated oceanic islands. Islands gave early...

population growth

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...

community diversity

Measuring Ecosystem Health

Ecosystem health is measured by looking at how species, habitats, and nonliving conditions interact in the same area. An ecological community includes many populations that live together and affect one another. When biotic parts, or living parts, also interact with abiotic parts, or nonliving parts, they form an ecosystem. These systems can be very small, like microbes in the human digestive tract, or very large, like a forest linked by the carbon cycle. Ecologists study ecosystem health...

climate change

Climate Change Effects on Sea Level and Species

Climate change affects Earth’s average temperature, sea level, and living things. Scientists distinguish climate from weather by time scale. Weather describes short-term conditions in one place, such as temperature and precipitation. Climate describes those same conditions over long periods, and global climate is measured using data from across the entire Earth. Researchers track climate change with help from meteorology, geography, oceanography, and computer models. Much of this work focuses...

group behavior

Hawk-Dove Strategy in Animal Populations

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...

optimal foraging

Patch Use in Optimal Foraging

Patch use in optimal foraging explains how organisms balance food gain against the time and energy needed to search for it. Foraging is not limited to food. Animals also search for habitats, shelter, and mates. Each choice has costs and benefits. A resource provides a benefit, but finding and capturing it takes effort. Optimal Foraging Theory models how organisms reach the best balance between those costs and gains. A key idea in this theory is that resources are often clumped into patches...

sexual selection and mate choice

Mate Competition and Fitness Traits

Mate competition and fitness traits shape how organisms choose partners and pass genes to the next generation. Evolutionary fitness depends on surviving and producing offspring, and sexual selection is a major part of that process. It creates pressure on traits used in courtship and mating, such as bright colors, ornamentation, and other features that help attract a mate. These traits can also create sexual dimorphism, which means males and females of the same species look different. Sexual...

eusociality and division of labor

Honeybee Altruism and Inclusive Fitness

Eusociality is a highly organized form of animal social life. It includes division of labor, where different individuals take on different roles in the group. In these systems, some animals help others even when it comes at a cost to their own survival or reproduction. That self-sacrificing behavior is called altruism. Early evolutionary biologists used to explain fitness only at the level of the individual. Observations of eusocial species, such as honeybees, challenged that idea. W. D.

ecology

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

Population Models and Carrying Capacity | JoVE K12

ecosystems-interactions-energy-and-dynamics

Ecosystems: Interactions, Energy And Dynamics

HS-LS2-1

HS-LS2-6

Tennessee Academic Standards

Ecosystems: Interactions, Energy, and Dynamics

BIO1.LS2.1

Minnesota Academic Standards in Science

9-12

Life Science

3.2.1 9L.3.2.1.4

Alabama Course of Study Science

Earth and Human Activity

9-12.EVS.4.11

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

interdependent-relationships-in-ecosystems

Interdependent Relationships in Ecosystems

HS-LS2-2.

Natural Selection and Evolution

HS-LS4-5.

Georgia Standards of Excellence

SEC2.

SEC2.b

Подготовьтесь к преподаванию Рост населения с помощью этого 1-минутного руководства для преподавателей. Охватывает ключевые этапы подготовки для лаборатории Biology на JoVE Lab Manual.

Подготовка преподавателя по Рост населения в Biology - Более 2.1K просмотров | JoVE Lab Manual

Следуйте пошаговым процедурам Рост населения в этом 15-минутном видео студенческого протокола. Часть коллекции Biology на JoVE Lab Manual.

Студенческий протокол по Рост населения в Biology - Более 6.9K просмотров | JoVE Lab Manual

What is an Ecosystem?

Overview

An ecosystem is the interaction between all abiotic and biotic factors in an environment and can be classified as terrestrial or aquatic. ...

mesocosm-scale-constructed-wetland-design-for-wastewater-treatment

Mesocosm-Scale Constructed Wetland Design for Wastewater Treatment

Oil sands process-affected water (OSPW), a by-product of bitumen extraction through surface mining in Alberta, Canada, contains various constituents of ...

watershed-planning-within-a-quantitative-scenario-analysis-framework

Watershed Planning within a Quantitative Scenario Analysis Framework

There is a critical need for tools and methodologies capable of managing aquatic systems within heavily impacted watersheds. Current efforts often fall ...

Community Diversity

Populations do not live in isolation; thus, every population interacts with others in certain ways. These interactions give rise to a network of ...

Setting up for the Lab and Choosing Field Sites
ExpandBefore the experiment, first ensure that the student computers have Microsoft Excel or Google Sheets ...

Measuring Biodiversity in Areas with Different Disturbance Regimes
ExpandNOTE: In this experiment, you will compare the biodiversity in a less disturbed ...

Ecosystem capital can be characterized as goods (removable products) and services such as the functions and values of wetlands.

HS-EVS1-1

Population Models
An ecological population is a group of individuals of a single species living in an area at the same time. To persist, a population must ...

Preparation for the Population Growth Computer Simulation
ExpandFor this exercise, ensure that spreadsheet software is installed on student computers ...

Exponential Population Growth Model
ExpandNOTE: In these experiments you will use computer software to simulate different types of growth models. ...

Private Goods and Common Resources

Private goods are items that a person can buy and use, which then prevents others from using them.
For example, a slice of pizza. It is a private good ...

Population growth along with cultural and economic factors impact resource availability, distribution and use.

Sustainable Development

As the human population continues to grow and use resources, we must be mindful of our planet&rsquo;s natural limits. Sustainable development provides a ...

Global Climate Change

Throughout its ~4.5 billion year history, the Earth has experienced periods of warming and cooling. However, the current drastic increase in global ...

design-example-analyzing-capacity-contours-for-flood-risk-assessment

Design Example: Analyzing Capacity Contours for Flood Risk Assessment

Flood risk assessment involves careful planning and analysis to ensure the safety of communities near water retention structures. Capacity contours are a ...

design-and-construction-of-an-urban-runoff-research-facility

Design and Construction of an Urban Runoff Research Facility

As the urban population increases, so does the area of irrigated urban landscape. Summer water use in urban areas can be 2-3x winter base line water use ...

Some changes to our natural environment such as the building of levees and hydrological modification have provided for economic and social development but have resulted in unintended negative impacts.

HS-EVS1-3

Population Models and Carrying Capacity

Description

Transcript

More videos by Standards