Ecologia populației este subdiviziunea ecologiei care se ocupă de dinamica populațiilor de specii și de modul în care aceste populații interacționează cu mediul. Este studiul modului în care dimensiunile populațiilor speciilor se modifică în timp și spațiu. Termenul este adesea folosit interschimbabil cu biologia populației sau dinamica populației. De asemenea, el descrie adesea tipurile de luptă pentru existență. Datorită selecției naturale, numărul de indivizi care sunt adaptați maxim crește.
În biologie, o populație este gradul de distribuție al unei anumite specii sau al unui anumit număr de reprezentanți ai acesteia care trăiesc într-o zonă.
Istorie
Cum a început totul? Dezvoltarea ecologiei populației este în mare măsură legată de demografie și tabelele actuale ale vieții. Această secțiune este foarte importantă în condițiile actuale de mediu.
Ecologia populației este importantă în biologia conservării, mai ales cânddezvoltarea unei analize a viabilității populației (PVA) care prezice probabilitatea pe termen lung ca o specie să rămână într-un anumit habitat. Deși această ecologie este o subspecie a biologiei, ea prezintă probleme interesante pentru matematicienii și statisticienii care lucrează în domeniul dinamicii populației. În biologie, populația este unul dintre termenii centrali.
Modele
Ca orice știință, ecologia folosește modele. Modelele simplificate de schimbare a populației încep de obicei cu patru variabile cheie (patru procese demografice), inclusiv decesul, nașterea, imigrația și emigrația. Modelele matematice utilizate pentru calcularea modificărilor situației demografice și evoluției populației presupun absența influenței externe. Modelele pot fi mai complexe din punct de vedere matematic atunci când „…mai multe ipoteze concurente se ciocnesc de date în același timp.”
Orice model de dezvoltare a populației poate fi folosit pentru a deriva matematic anumite proprietăți ale populațiilor geometrice. O populație cu dimensiuni în creștere geometrică este o populație în care generațiile de reproducere nu se suprapun. În fiecare generație, există o dimensiune efectivă a populației (și un teritoriu), notat cu Ne, care este numărul de indivizi din populație care se pot și se vor reproduce în orice generație reproductivă. Ce cauzează îngrijorare.
Teoria selecției r/K
Un concept important în ecologia populației este teoria selecției r/K. Prima variabilă este r (rata internă de creștere naturalădimensiunea populației, nu depinde de densitate), iar a doua variabilă este K (capacitatea de transport a populației, depinde de densitate). Relațiile intraspecifice joacă un anumit rol în acest sens.
Specia selectată de R (de exemplu, multe specii de insecte, cum ar fi afidele) este una care are rate ridicate de fecunditate, investiții scăzute ale părinților în tineret și rate ridicate de mortalitate înainte ca indivizii să ajungă la maturitate. Evoluția promovează productivitatea la speciile r-selectate. În schimb, speciile selectate K (cum ar fi oamenii) au rate scăzute de fertilitate, niveluri ridicate de investiții parentale la o vârstă fragedă și rate scăzute de mortalitate pe măsură ce indivizii se maturizează.
Evoluția la speciile K-selectate promovează eficiența în transformarea mai multor resurse în mai puțini descendenți. Ca urmare a relațiilor interspecii neproductive, acești descendenți pot dispărea, devenind ultimii reprezentanți ai populației lor.
Istoria teoriei
Terminologia r/K-select a fost inventată de ecologiști Robert MacArthur și E. O. Wilson în 1967, pe baza lucrărilor lor privind biogeografia insulei. Această teorie face posibilă identificarea cauzelor fluctuațiilor populației.
Teoria a fost populară în anii 1970 și 1980 când a fost folosită ca dispozitiv euristic, dar a căzut în disgrație la începutul anilor 1990 când a fost criticată de mai multe studii empirice. Paradigma istoriei vieții a înlocuit paradigma selecției r/K, dar continuă să includă multe dintre temele sale importante. Pofta de reproducere este principalaforța motrice a evoluției, așa că această teorie este extrem de utilă pentru studiul ei.
Astfel, speciile r-selectate sunt cele care pun accent pe rate mari de creștere, tind să exploateze nișe ecologice mai puțin aglomerate și produc mulți descendenți, fiecare dintre aceștia având o probabilitate relativ scăzută de a supraviețui până la maturitate (adică r ridicat, scăzut K). O specie tipică de r este păpădia (genul Taraxacum).
În medii instabile sau imprevizibile, selecția r predomină datorită capacității de a se înmulți rapid. Există puține avantaje în adaptările care îi permit să concureze cu succes cu alte organisme, deoarece mediul este probabil să se schimbe din nou. Trăsăturile despre care se crede că caracterizează selecția r includ: fecunditate ridicată, dimensiune mică a corpului, debut precoce a maturității, timp scurt de generare și capacitatea de a dispersa pe scară largă descendenții.
Organismele a căror istorie de viață este supusă selecției r sunt adesea denumite r-strategis. Organismele care prezintă trăsături r-selectate pot varia de la bacterii și diatomee la insecte și ierburi, precum și diverse cefalopode cu șapte lobi și mamifere mici, în special rozătoare. Teoria diferențială K are o legătură indirectă cu selecția naturală a animalelor.
Selecția speciilor
Speciile selectate
K prezintă trăsături asociate cu densitatea de a trăi aproape de capacitatea de transport și tind să fie concurenți puternici în nișe aglomerate care investesc mai mult în mai puținnumărul de descendenți. Fiecare dintre ele are o probabilitate relativ mare de a supraviețui până la vârsta adultă (adică r scăzut, k ridicat). În literatura științifică, speciile selectate r sunt uneori denumite „oportuniste”, în timp ce speciile selectate K sunt descrise ca „echilibru”.
În condiții stabile sau previzibile, selecția K prevalează, deoarece capacitatea de a concura cu succes pentru resurse limitate este critică, iar populațiile de organisme selectate K sunt de obicei foarte constante ca număr și aproape de maximul pe care îl poate permite mediul. a sustine. Spre deosebire de r-selected, unde dimensiunea populației se poate schimba mult mai repede. Numărul scăzut duce la incest, care este una dintre cauzele mutațiilor.
Caracteristici
Trăsăturile considerate a fi caracteristice selecției K includ dimensiunea mare a corpului, durata lungă de viață și producția de descendenți mai puțini, care adesea necesită îngrijire atentă a părinților până la maturitate. Organismele a căror istorie de viață este K-selectată sunt adesea denumite K-strategis sau K-selectate. Organismele cu trăsături selectate K includ organisme mari, cum ar fi elefanții, oamenii și balenele, precum și organisme mai mici, cu viață mai lungă, cum ar fi sternii arctici, papagalii și vulturii. Creșterea populației este una dintre luptele pentru existență.
Clasificarea organismelor
Deși unele organisme sunt identificate în primul rând ca strategi r- sau K, majoritatea organismelor nu urmează acest model. De exemplu, copacii au trăsături precumlongevitatea și competitivitatea ridicată care îi caracterizează drept K-strategis. Cu toate acestea, atunci când se reproduc, copacii produc de obicei mii de urmași și îi dispersează pe scară largă, ceea ce este tipic pentru strategii r.
În mod similar, reptilele precum țestoasele marine au atât caracteristici r, cât și k: deși țestoasele marine sunt organisme mari cu durată lungă de viață (cu condiția să ajungă la maturitate), ele produc un număr mare de descendenți neobservați.
Alte expresii
Dihotomia r/K poate fi re-exprimată ca un spectru continuu utilizând conceptul economic de rentabilitate viitoare actualizate, cu alegerea r corespunzătoare ratelor mari de actualizare și alegerea K corespunzătoare ratelor de reducere mici.
În zonele cu perturbări severe ale mediului sau sterilizare (de exemplu, după o erupție vulcanică majoră, cum ar fi Krakatoa sau Muntele St. Helens), r- și K-strategii joacă roluri diferite în secvența ecologică care restabilește ecosistemul. Datorită ratelor lor de reproducere mai mari și oportunismului ecologic, colonizatorii primari tind să fie strategi și sunt urmați de un șir de competiție în creștere între viața vegetală și cea animală. Capacitatea mediului de a crește conținutul de energie prin captarea fotosintetică a energiei solare crește odată cu creșterea biodiversității complexe, pe măsură ce speciile r proliferează la maximum posibil cufolosind strategiile K.
Echilibru nou
În cele din urmă, apare un nou echilibru (uneori numit o comunitate culminantă), pe măsură ce r-strategis sunt înlocuiți treptat de K-strategis care sunt mai competitivi și mai bine adaptați la schimbările emergente peisajului microecologic. În mod tradițional, biodiversitatea a fost considerată a fi maximizată în această etapă odată cu introducerea de noi specii, având ca rezultat înlocuirea și dispariția locală a speciilor endemice. Totuși, ipoteza perturbării intermediare afirmă că nivelurile intermediare de perturbare în peisaj creează petice la diferite niveluri de succesiune, facilitând coexistența colonizatorilor și concurenților la scară regională.
Deși aplicată în general la nivel de specie, teoria selecției r/K este utilă și pentru studierea evoluției diferențelor ecologice și de viață între subspecii. De exemplu, albina africană A. m. scutellata și albina italiană A. m. ligustica. La celăl alt capăt al scalei, a fost, de asemenea, folosit pentru a studia ecologia evolutivă a grupurilor întregi de organisme, cum ar fi bacteriofagii.
Opinii de cercetare
Unii cercetători precum Lee Ellis, J. Philip Rushton și Aurelio Jose Figueredo au aplicat teoria selecției r/K la diferite comportamente umane, inclusiv delincvența, promiscuitatea sexuală, fertilitatea și alte trăsături legate de teoria istoriei vieții. Munca lui Rushton l-a determinat să dezvolte „teoria diferențială K” pentru a încerca să explice numeroasele diferențe ale comportamentului uman din zonele geografice. Și această teorie a fost criticată de mulți alți cercetători. Acesta din urmă a sugerat că evoluția răspunsurilor inflamatorii umane este legată de alegerea r/K.
Deși teoria selecției r/K a început să fie utilizată pe scară largă în anii 1970, ea a primit, de asemenea, o atenție din ce în ce mai mare. În special, o revizuire a ecologistului Stephen S. Stearns a atras atenția asupra lacunelor din teorie și asupra ambiguităților în interpretarea datelor empirice pentru a le testa.
Cercetari suplimentare
În 1981, revizuirea lui Parry din 1981 a literaturii despre selecția r/K a arătat că nu a existat un acord între cercetători care foloseau teoria definirii selecției r și K, ceea ce l-a determinat să pună la îndoială ipoteza unei relații între costuri.funcția.
Un studiu realizat de Templeton și Johnson în 1982 a arătat că într-o populație de Drosophila mercatorum (o subspecie a muștei) supusă selecției K, aceasta produce de fapt o frecvență mai mare de trăsături asociate în mod obișnuit cu selecția r. Mai multe alte studii care contrazic predicțiile teoriei selecției r/K au fost publicate, de asemenea, între 1977 și 1994.
Când Stearns a revizuit statutul unei teorii în 1992, el a remarcat că din 1977 până în 1982, serviciul de căutare a literaturii BIOSIS a avut în medie 42 de citări de teorie pe an, dar din 1984 până în 1989 media a scăzut la 16 pe an. și a continuat să scadă. El a concluzionat că teoria r/K a fost cândva o euristică utilă, care nu mai servește unui scop în teoria istoriei vieții.
Cel mai recent, teoria panarhiei adaptiveabilitățile și rezistența promovate de S. S. Holling și Lance Gunderson au reînviat interesul pentru teorie și o folosesc ca o modalitate de a integra sistemele sociale, economia și ecologia.
Ecologia metapopulațiilor
Ecologia metapopulației este un model simplificat al peisajului în zone cu diferite niveluri de calitate. Migranții care se deplasează între site-uri sunt structurați în metapopulații ca surse sau chiuvete. În terminologia metapopulării, există emigranți (persoanele fizice care părăsesc site-ul) și imigranți (persoanele fizice care se mută în site).
Modelele de metapopulare examinează dinamica site-urilor de-a lungul timpului pentru a răspunde la întrebări despre ecologia spațială și demografică. Un concept important în ecologia metapopulațiilor este efectul de salvare, în care mici petice de calitate inferioară (adică chiuvete) sunt menținute de un aflux sezonier de noi imigranți.
Structura metapopulației evoluează de la an la an, unde unele situri sunt niște chiuvete, cum ar fi anii secetoși, și devin izvoare atunci când condițiile sunt mai favorabile. Ecologiștii folosesc un amestec de modele computerizate și studii de teren pentru a explica structura metapopulației. Structura de vârstă a unei populații este prezența reprezentanților anumitor vârste într-o populație.
Autoecologie
Termenul mai vechi autoecologie (din greacă: αὐτο, auto, „sine”; οίκος, oikos, „gospodărie” și λόγος, logos, „cunoaștere”), se referăaproximativ în același domeniu de studiu ca și ecologia populației. Ea decurge din împărțirea ecologiei în autecologie - studiul speciilor individuale în raport cu mediul - și sinecologie - studiul grupurilor de organisme în raport cu mediul - sau ecologie comunitară. Odum (un biolog american) credea că sinecologia ar trebui împărțită în ecologie a populației, ecologie comunitară și ecologie a ecosistemului, definind autoecologia drept „ecologie a speciilor”.
Totuși, de ceva timp, biologii au recunoscut că nivelul mai mare de organizare al unei specii este populația, deoarece la acest nivel fondul genetic al speciilor este cel mai consistent. De fapt, Odum a considerat „autoecologia” ca o „tendință actuală” în ecologie (adică un termen arhaic), deși a inclus „ecologia speciilor” ca una dintre cele patru diviziuni ale ecologiei.
Prima publicație a Population Ecology (numită inițial Population Ecology Research) a fost lansată în 1952.
Lucrări de cercetare privind ecologia populației pot fi găsite și în reviste de ecologie animală.
Dinamica populației
Dinamica populației este o ramură a științelor vieții care studiază dimensiunea și compoziția pe vârstă a populațiilor ca sisteme dinamice și procesele biologice și de mediu care le conduc (de exemplu, ratele natalității și mortalității și imigrația și emigrația). Exemple de scenarii sunt îmbătrânirea, creșterea sau contracția populației.
Creșterea exponențială descrie reproducerea nereglementată. Acest lucru este foarte neobișnuit de văzut în natură. Creșterea populației a fost exponențială în ultimii 100 de ani.
Thomas M althus credea că creșterea populației va duce la suprapopulare și înfometare din cauza lipsei de resurse, inclusiv de alimente. În viitor, oamenii nu vor putea hrăni populații mari. Ipoteza biologică a creșterii exponențiale este că rata de creștere pe cap de locuitor este constantă. Creșterea nu se limitează la deficitul de resurse sau la prădare.
Dinamica populației a fost utilizată pe scară largă în mai multe aplicații ale teoriei controlului. Folosind teoria jocurilor evoluționiste, jocurile populației sunt aplicate pe scară largă în diverse contexte industriale și de zi cu zi. Folosit în principal în sisteme de intrare și ieșire multiplă (MIMO), deși pot fi adaptate pentru utilizare în sisteme de intrare cu o singură ieșire (SISO). Câteva exemple de aplicații sunt campaniile militare, distribuirea resurselor pentru distribuția apei, expedierea generatoarelor distribuite, experimentele de laborator, problemele de transport, problemele de comunicare. În plus, cu contextualizarea adecvată a problemelor de producție, dinamica populației poate fi o soluție eficientă și ușor de aplicat la problemele de control. Au fost și sunt în desfășurare numeroase studii științifice.
Suprapopulare
Suprapopularea are loc atunci când populația unei specii depășește capacitatea de transport a unei nișe ecologice. Acesta poate fi rezultatulo creștere a natalității (rata fertilității), o scădere a ratei mortalității, o creștere a imigrației sau un biom nesustenabil și o epuizare a resurselor. Mai mult, asta înseamnă că, dacă există prea mulți oameni într-un singur habitat, oamenii limitează resursele disponibile pentru a supraviețui. Structura de vârstă a populației nu joacă un rol deosebit.
În sălbăticie, suprapopularea provoacă adesea creșterea populațiilor de prădători. Acest lucru are ca efect controlul populației de pradă și asigurarea faptului că aceasta evoluează în favoarea unor caracteristici genetice care o fac mai puțin vulnerabilă la prădători (iar prădătorul poate co-evolua).
În absența prădătorilor, speciile sunt legate de resursele pe care le pot găsi în mediul lor, dar acest lucru nu controlează neapărat suprapopularea. Cel puțin pe termen scurt. O ofertă abundentă de resurse poate duce la un boom populațional urmat de o criză a populației. Rozătoarele precum lemmingii și volei au aceste cicluri de creștere rapidă a populației și declin ulterior. Populațiile de iepuri de zăpadă se schimbă, de asemenea, ciclic dramatic, la fel ca și unul dintre prădătorii care îi vânează, râsul. Urmărirea acestei tendințe este mult mai ușoară decât identificarea genomului unei populații.
