Populiacijų ekologija yra ekologijos poskyris, kuriame nagrinėjama rūšių populiacijų dinamika ir tai, kaip šios populiacijos sąveikauja su aplinka. Tai tyrimas, kaip rūšių populiacijos dydis kinta laikui ir erdvėje. Šis terminas dažnai vartojamas pakaitomis su populiacijos biologija arba populiacijos dinamika. Jis taip pat dažnai aprašo kovos už būvį tipus. Dėl natūralios atrankos didėja maksimaliai prisitaikiusių individų skaičius.
Biologijoje populiacija yra tam tikros rūšies arba tam tikro skaičiaus jos atstovų, gyvenančių vienoje srityje, paplitimo laipsnis.
Istorija
Kaip viskas prasidėjo? Gyventojų ekologijos raida daugiausia susijusi su demografija ir dabartinėmis gyvenimo lentelėmis. Ši dalis yra labai svarbi dabartinėmis aplinkos sąlygomis.
Gyventojų ekologija yra svarbi gamtosaugos biologijoje, ypač kaisukurti populiacijos gyvybingumo analizę (PVA), kuri numato ilgalaikę rūšies išlikimo tam tikroje buveinėje tikimybę. Nors ši ekologija yra biologijos porūšis, ji kelia įdomių problemų matematikams ir statistikams, dirbantiems populiacijos dinamikos srityje. Biologijoje populiacija yra vienas iš pagrindinių terminų.
Modeliai
Kaip ir bet kuris mokslas, ekologija naudoja modelius. Supaprastinti gyventojų kaitos modeliai paprastai prasideda nuo keturių pagrindinių kintamųjų (keturių demografinių procesų), įskaitant mirtį, gimimą, imigraciją ir emigraciją. Matematiniai modeliai, naudojami demografinės situacijos pokyčiams ir gyventojų evoliucijai apskaičiuoti, daro prielaidą, kad išorinės įtakos nėra. Modeliai gali būti matematiškai sudėtingesni, kai „…kelios konkuruojančios hipotezės susiduria su duomenimis vienu metu“.
Bet koks populiacijos raidos modelis gali būti naudojamas matematiškai nustatyti tam tikras geometrinių populiacijų savybes. Geometriškai didėjanti populiacija yra populiacija, kurioje veisimosi kartos nesutampa. Kiekvienoje kartoje yra efektyvus populiacijos dydis (ir teritorija), žymimas Ne, kuris yra populiacijos individų, galinčių ir veistis bet kurioje reprodukcinėje kartoje, skaičius. Kas kelia susirūpinimą.
Atrankos teorija r/K
Svarbi populiacijos ekologijos sąvoka yra r/K atrankos teorija. Pirmasis kintamasis yra r (vidinis natūralaus prieaugio greitispopuliacijos dydis, jis nepriklauso nuo tankumo), o antrasis kintamasis yra K (populiacijos talpa, priklauso nuo tankio). Tarprūšiniai santykiai atlieka tam tikrą vaidmenį.
R atrinktos rūšys (pvz., daugelis vabzdžių rūšių, pvz., amarai) pasižymi dideliu vaisingumu, mažomis tėvų investicijomis į jauniklius ir didelius mirtingumo rodiklius prieš individams subrendus. Evoliucija skatina r-atrinktų rūšių produktyvumą. Priešingai, K atrinktų rūšių (pvz., žmonių) vaisingumo rodikliai yra žemi, tėvų investicijos jauname amžiuje ir mirtingumo rodikliai maži individams subrendus.
K atrinktų rūšių evoliucija skatina efektyvumą paverčiant daugiau išteklių mažiau palikuonių. Dėl neproduktyvių tarprūšinių santykių šie palikuonys gali išnykti ir tapti paskutiniais savo populiacijos atstovais.
Teorijos istorija
R/K atrankos terminiją sukūrė ekologai Robertas MacArthuras ir E. O. Wilsonas 1967 m., remdamiesi savo darbais apie salų biogeografiją. Ši teorija leidžia nustatyti gyventojų skaičiaus svyravimų priežastis.
Ši teorija buvo populiari aštuntajame ir devintajame dešimtmetyje, kai ji buvo naudojama kaip euristinis prietaisas, tačiau 1990-ųjų pradžioje ji buvo išpopuliarėjusi, kai ją kritikavo keli empiriniai tyrimai. Gyvenimo istorijos paradigma pakeitė r/K atrankos paradigmą, bet ir toliau apima daug svarbių jos temų. Potraukis daugintis yra pagrindinisevoliucijos varomoji jėga, todėl ši teorija labai naudinga ją tiriant.
Taigi, r atrinktos rūšys yra tos, kurios pabrėžia didelius augimo tempus, linkusios išnaudoti mažiau perpildytas ekologines nišas ir susilaukti daug palikuonių, kurių kiekviena turi santykinai mažą tikimybę išgyventi iki pilnametystės (t. y. didelis r, mažas). K). Tipiška r rūšis yra kiaulpienė (Taraxacum gentis).
Nestabilioje arba nenuspėjamoje aplinkoje vyrauja r pasirinkimas dėl galimybės greitai daugintis. Adaptacijos, leidžiančios sėkmingai konkuruoti su kitais organizmais, yra mažai naudingos, nes aplinka greičiausiai vėl pasikeis. Manoma, kad r-selekcijai būdingi bruožai: didelis vaisingumas, mažas kūno dydis, ankstyva branda, trumpas generavimo laikas ir gebėjimas plačiai paskleisti palikuonis.
Organizmai, kurių gyvenimo istorijoje vyksta r-atranka, dažnai vadinami r-strategais. Organizmai, kuriems būdingi r atrinkti bruožai, gali būti nuo bakterijų ir diatomų iki vabzdžių ir žolių, taip pat įvairių septynių skilčių galvakojų ir mažų žinduolių, ypač graužikų. Diferencialinė teorija K turi netiesioginį ryšį su natūralia gyvūnų atranka.
Rūšių pasirinkimas
K atrinktoms rūšims būdingi bruožai, susiję su gyvenimu artimoje talpos tankumui, ir dažniausiai yra stiprios konkurentės perpildytose nišose, kurios daugiau investuoja į mažiau.palikuonių skaičius. Kiekvienas iš jų turi gana didelę tikimybę išgyventi iki pilnametystės (t. y. žemas r, didelis k). Mokslinėje literatūroje r atrinktos rūšys kartais vadinamos „oportunistinėmis“, o K atrinktos rūšys apibūdinamos kaip „pusiausvyros“.
Stabiliomis arba nuspėjamomis sąlygomis vyrauja K atranka, nes gebėjimas sėkmingai konkuruoti dėl ribotų išteklių yra labai svarbus, o K atrinktų organizmų populiacijų skaičius paprastai yra labai pastovus ir artimas maksimaliam skaičiui, kurį gali aplinka. parama. Priešingai nei r-selected, kur populiacijos dydis gali keistis daug greičiau. Mažas skaičius sukelia kraujomaišą, kuri yra viena iš mutacijų priežasčių.
Savybės
Manoma, kad K-selekcijos bruožai yra didelis kūno dydis, ilga gyvenimo trukmė ir mažiau palikuonių, dėl kurių dažnai reikia kruopštaus tėvų priežiūros, kol jie subręsta. Organizmai, kurių gyvenimo istorija yra K atrinkta, dažnai vadinami K strategais arba K atrinktais. Organizmai, turintys K pasirinktų požymių, yra dideli organizmai, tokie kaip drambliai, žmonės ir banginiai, taip pat mažesni, ilgiau gyvenantys organizmai, tokie kaip arktinės žuvėdros, papūgos ir ereliai. Gyventojų skaičiaus didėjimas yra viena iš kovų už būvį.
Organizmų klasifikacija
Nors kai kurie organizmai pirmiausia identifikuojami kaip r arba K strategai, dauguma organizmų šio modelio nesilaiko. Pavyzdžiui, medžiai turi tokių bruožų kaipilgaamžiškumas ir didelis konkurencingumas, kurie apibūdina juos kaip K-strategus. Tačiau veisdami medžiai dažniausiai užaugina tūkstančius palikuonių ir juos plačiai išsklaido, o tai būdinga r-strategams.
Panašiai ropliai, tokie kaip jūriniai vėžliai, turi ir r, ir k charakteristikas: nors jūros vėžliai yra dideli organizmai, kurių gyvenimo trukmė ilga (jei jie sulaukia pilnametystės), jie susilaukia daug nepastebėtų palikuonių.
Kiti posakiai
R/K dichotomija gali būti iš naujo išreikšta kaip nenutrūkstamas spektras, naudojant ekonominę diskontuotų ateities grąžos koncepciją, kai r-pasirinkimas atitinka dideles diskonto normas ir K-pasirinkimas atitinka mažas diskonto normas.
Srityse, kuriose aplinka labai trikdoma arba sterilizuojama (pvz., po didelio ugnikalnio išsiveržimo, pvz., Krakatau ar Sent Helenso kalno), r- ir K-strategai atlieka skirtingus vaidmenis ekologinėje sekoje, kuri atkuria ekosistemą. Dėl didesnių reprodukcijos rodiklių ir ekologinio oportunizmo pagrindiniai kolonizatoriai dažniausiai yra strategai, o po jų kyla vis didėjanti augalų ir gyvūnų konkurencija. Aplinkos gebėjimas padidinti energijos kiekį fotosintezės būdu gaudant saulės energiją didėja didėjant sudėtingai biologinei įvairovei, nes r rūšių daugėja iki didžiausio įmanomo.naudojant strategijas K.
Nauja pusiausvyra
Galų gale atsiranda nauja pusiausvyra (kartais vadinama kulminacine bendruomene), nes r-strategus pamažu pakeičia K-strategai, kurie yra konkurencingesni ir geriau prisitaikę prie naujų mikroekologinių kraštovaizdžio pokyčių. Tradiciškai buvo manoma, kad šiame etape biologinė įvairovė yra maksimaliai padidinta, kai atsiranda naujų rūšių, dėl kurių endeminės rūšys buvo pakeistos ir vietiškai išnykusios. Tačiau tarpinio trikdymo hipotezė teigia, kad vidutiniai trikdymo lygiai kraštovaizdyje sukuria lopinėlius skirtinguose sukcesijos lygiuose, palengvinančius kolonizatorių ir konkurentų sambūvį regioniniu mastu.
Nors paprastai taikoma rūšių lygiu, r/K atrankos teorija taip pat naudinga tiriant ekologinių ir gyvybės skirtumų tarp porūšių raidą. Pavyzdžiui, afrikinė bitė A. m. scutellata ir itališka bitė A. m. ligustica. Kitame skalės gale jis taip pat buvo naudojamas tiriant ištisų organizmų grupių, pvz., bakteriofagų, evoliucinę ekologiją.
Tyrimų nuomonės
Kai kurie tyrinėtojai, tokie kaip Lee Ellisas, J. Philipas Rushtonas ir Aurelio Jose Figueredo, pritaikė r/K atrankos teoriją įvairiems žmonių elgesiams, įskaitant nusikalstamumą, seksualinį pasileidimą, vaisingumą ir kitus su gyvenimo istorijos teorija susijusius bruožus. Rushtono darbas paskatino jį sukurti „diferencinę K teoriją“, kad būtų galima paaiškinti daugybę žmonių elgesio skirtumų įvairiose geografinėse srityse. Ir šią teoriją kritikavo daugelis kitų tyrinėtojų. Pastarasis pasiūlė, kad žmogaus uždegiminių reakcijų raida yra susijusi su r/K pasirinkimu.
Nors r/K atrankos teorija buvo plačiai naudojama aštuntajame dešimtmetyje, jai taip pat skiriama vis daugiau dėmesio. Visų pirma, ekologo Stepheno S. Stearnso apžvalga atkreipė dėmesį į teorijos spragas ir empirinių duomenų interpretavimo dviprasmybes, kad būtų galima ją patikrinti.
Tolimesni tyrimai
1981 m. Parry 1981 m. literatūros apie r/K atranką apžvalga parodė, kad tyrėjai, naudojantys r ir K atrankos apibrėžimo teoriją, nesutarė, todėl jis suabejojo prielaida apie ryšį tarp reprodukcinės sistemos. išlaidos. funkcija.
1982 m. Templeton ir Johnson atliktas tyrimas parodė, kad Drosophila mercatorum (musės porūšis) populiacijoje, kuriai buvo taikoma K atranka, ji iš tikrųjų dažniau sukelia bruožus, paprastai susijusius su r atranka. Keletas kitų tyrimų, prieštaraujančių r/K atrankos teorijos prognozėms, taip pat buvo paskelbti 1977–1994 m.
1992 m. Stearnsas apžvelgė teorijos statusą, jis pažymėjo, kad nuo 1977 iki 1982 m. BIOSIS literatūros paieškos tarnyba vidutiniškai per metus pateikia 42 teorijas, tačiau nuo 1984 iki 1989 m. vidurkis sumažėjo iki 16 per metus. ir toliau mažėjo. Jis padarė išvadą, kad r/K teorija kadaise buvo naudinga euristika, kuri gyvybės istorijos teorijoje nebeatitinka tikslo.
Pastaruoju metu panarchinė prisitaikymo teorijaS. S. Hollingo ir Lance'o Gundersono skatinami gebėjimai ir atsparumas atgaivino susidomėjimą teorija ir naudoja ją kaip būdą integruoti socialines sistemas, ekonomiką ir ekologiją.
Metapopuliacijų ekologija
Metapopuliacijos ekologija – tai supaprastintas kraštovaizdžio modelis į skirtingų kokybės lygių sritis. Migrantai, judantys iš vienos vietos į kitą, yra suskirstyti į metapopuliacijas kaip š altiniai arba kriauklės. Pagal metapopuliacijos terminologiją yra emigrantai (asmenys, kurie palieka svetainę) ir imigrantai (asmenys, kurie persikelia į svetainę).
Metapopuliacijos modeliai tiria svetainės dinamiką laikui bėgant, kad atsakytų į klausimus apie erdvinę ir demografinę ekologiją. Svarbi metapopuliacijos ekologijos koncepcija yra gelbėjimo efektas, kai maži prastesnės kokybės lopai (t. y. kriauklės) išlaikomi dėl sezoninio naujų imigrantų antplūdžio.
Metapopuliacijos struktūra kinta kiekvienais metais, kai kai kurios vietos yra įdubos, pavyzdžiui, sausi metai, ir tampa š altiniais, kai sąlygos yra palankesnės. Ekologai naudoja kompiuterinių modelių ir lauko tyrimų mišinį, kad paaiškintų metapopuliacijos struktūrą. Gyventojų amžiaus struktūra – tai tam tikro amžiaus atstovų buvimas populiacijoje.
Autoekologija
Senesnis terminas autoekologija (iš graikų: αὐτο, auto, „aš“; οίκος, oikos, „namų ūkis“ir λόγος, logotipai, „žinios“) reiškiamaždaug toje pačioje studijų srityje kaip ir gyventojų ekologija. Ji kyla iš ekologijos skirstymo į autekologiją – atskirų rūšių tyrimą, susijusį su aplinka – ir sinekologiją – organizmų grupių, susijusių su aplinka, tyrimą – arba bendruomenės ekologiją. Odumas (amerikiečių biologas) manė, kad sinekologija turėtų būti skirstoma į populiacijos ekologiją, bendruomenės ekologiją ir ekosistemų ekologiją, autoekologiją apibrėžiant kaip „rūšies ekologiją“.
Tačiau jau kurį laiką biologai pripažino, kad didesnis rūšies organizavimo lygis yra populiacija, nes šiame lygmenyje rūšies genofondas yra nuosekliausias. Tiesą sakant, Odumas „autoekologiją“laikė „dabartine ekologijos tendencija“(t. y. archajišku terminu), nors „rūšių ekologiją“įtraukė kaip vieną iš keturių ekologijos skyrių.
Pirmasis „Population Ecology“(iš pradžių vadintas „Population Ecology Research“) leidinys buvo išleistas 1952 m.
Tyrimo darbų apie populiacijos ekologiją taip pat galima rasti gyvūnų ekologijos žurnaluose.
Gyventojų dinamika
Gyventojų dinamika yra gyvybės mokslų šaka, tirianti populiacijų, kaip dinamiškų sistemų, dydį ir amžiaus sudėtį bei jas lemiančius biologinius ir aplinkos procesus (pavyzdžiui, gimstamumą ir mirtingumą, imigraciją ir emigraciją). Scenarijų pavyzdžiai yra gyventojų senėjimas, augimas arba mažėjimas.
Eksponentinis augimas apibūdina nereguliuojamą dauginimąsi. Tai labai neįprasta matyti gamtoje. Per pastaruosius 100 metų gyventojų skaičius išaugo eksponentiškai.
Thomas M althusas tikėjo, kad dėl išteklių, įskaitant maistą, trūkumo gyventojų skaičiaus augimas sukels gyventojų perteklių ir badą. Ateityje žmonės negalės išmaitinti didelių populiacijų. Biologinė eksponentinio augimo prielaida yra ta, kad augimo tempas vienam gyventojui yra pastovus. Augimas neapsiriboja išteklių trūkumu ar grobuoniškumu.
Gyventojų dinamika buvo plačiai naudojama keliuose valdymo teorijos pritaikymuose. Naudojant evoliucinę žaidimų teoriją, populiacijos žaidimai plačiai taikomi įvairiuose pramonės ir kasdieniuose kontekstuose. Dažniausiai naudojamos kelių įvesties, kelių išėjimų (MIMO) sistemose, nors jos gali būti pritaikytos naudoti vieno įvesties, vieno išvesties (SISO) sistemose. Kai kurie pritaikymo pavyzdžiai yra karinės kampanijos, vandens paskirstymo išteklių paskirstymas, paskirstytų generatorių išsiuntimas, laboratoriniai eksperimentai, transportavimo problemos, komunikacijos problemos. Be to, tinkamai kontekstualizavus gamybos problemas, populiacijos dinamika gali būti efektyvus ir lengvai pritaikomas sprendimas sprendžiant problemas. Buvo atlikta ir tebevyksta daugybė mokslinių tyrimų.
Per didelis gyventojų skaičius
Perteklinė populiacija atsiranda tada, kai rūšies populiacija viršija ekologinės nišos talpą. Tai gali būti rezultatasgimstamumo (vaisingumo) padidėjimas, mirtingumo sumažėjimas, imigracijos padidėjimas arba netvarus biomas ir išteklių išeikvojimas. Be to, tai reiškia, kad jei vienoje buveinėje yra per daug žmonių, žmonės riboja turimus išteklius, kad galėtų išgyventi. Gyventojų amžiaus struktūra nevaidina ypatingo vaidmens.
Laukinėje gamtoje dėl pernelyg didelio gyventojų skaičiaus didėja plėšrūnų populiacijos. Taip kontroliuojama grobio populiacija ir užtikrinama, kad ji vystytųsi palankiomis genetinėmis savybėmis, dėl kurių ji yra mažiau pažeidžiama plėšrūnų (ir plėšrūnas gali vystytis kartu).
Jei nėra plėšrūnų, rūšys yra susaistytos ištekliais, kuriuos gali rasti savo aplinkoje, tačiau tai nebūtinai kontroliuoja perteklinį populiaciją. Bent jau trumpuoju laikotarpiu. Gausus išteklių pasiūla gali sukelti gyventojų bumą, o po to kilti gyventojų krizę. Graužikai, tokie kaip lemingai ir pelėnai, turi tokius spartaus populiacijos augimo ir vėlesnio mažėjimo ciklus. Snaigių kiškių populiacijos taip pat dramatiškai cikliškai keičiasi, kaip ir vienas iš juos medžiojančių plėšrūnų – lūšis. Stebėti šią tendenciją daug lengviau nei nustatyti populiacijos genomą.
