Рост населения

Популяционные модели

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^.

Экспоненциальный рост

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 140^часов2.

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.

Логистический рост

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.

Динамика численности населения

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.

Ссылки

1. 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).
2. 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).
3. 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).
4. Офер Малкай, Офер Бихам, Питер Ричмонд и Сорин Соломон. Теоретический анализ и моделирование обобщенной модели Лотки-Вольтерры. Phys. Rev. E. 2002, Том 66, 3.

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.