7.1: Динаміка населення та демографія
- Page ID
- 29981
Вступ
Уявіть собі, що пливе вниз по річці в невеликому моторному човні у вихідні дні; вода гладка, і ви насолоджуєтеся сонцем і прохолодним вітром, коли раптом вас вдарив в голову 20-фунтовий товстолобик. Це ризик зараз на багатьох річках та системах каналів в Іллінойсі та Міссурі через наявність азіатського коропа. Ця риба - насправді група видів, включаючи срібло, чорний, траву та короп з великою головою - вирощується та їдять у Китаї вже понад 1,000 років. Це один з найважливіших продовольчих ресурсів аквакультури у всьому світі. Однак у Сполучених Штатах азіатський короп вважається небезпечним інвазивним видом, який порушує структуру екологічного співтовариства до загрози місцевим видам. Вплив інвазивних видів (таких як азіатський короп, кудзу лоза, хижа риба-змієголова та мідія зебри) є лише одним із аспектів того, що вивчають екологи, щоб зрозуміти, як популяції взаємодіють в екологічних спільнотах та який вплив мають природні та спричинені людиною порушення на характеристики громад.
Розмір і щільність населення
Популяція - це група організмів одного виду, що мешкають в одній місцевості. Розмір і склад населення коливаються у відповідь на численні фактори, включаючи сезонні та щорічні зміни в навколишньому середовищі, стихійні лиха, такі як лісові пожежі та виверження вулканів, а також конкуренцію за ресурси між видами та всередині них. Статистичне дослідження популяцій називається демографією: набір математичних інструментів, призначених для опису популяцій та дослідження того, як вони змінюються. Багато з цих інструментів насправді були розроблені для вивчення людських популяцій. Наприклад, таблиці життя, в яких детально описується тривалість життя осіб всередині населення, спочатку були розроблені компаніями зі страхування життя для встановлення страхових тарифів. Насправді, хоча термін «демографія» іноді вважається вивченням людських популяцій, все живе населення можна вивчати за допомогою цього підходу.
Популяції характеризуються чисельністю популяції (загальною кількістю особин) і щільністю популяції (кількістю особин на одиницю площі). Популяція може мати велику кількість особин, які розподілені густо, або рідко. Існують також популяції з невеликою кількістю особин, які можуть бути щільними або дуже рідко розподіленими на місцевій території. Розмір популяції може вплинути на потенціал адаптації, оскільки це впливає на кількість генетичних варіацій, присутніх у популяції. Щільність може впливати на взаємодії всередині популяції, такі як конкуренція за їжу та здатність людей знайти пару. Менші організми, як правило, більш щільно розподілені, ніж більші організми (рисунок нижче).
Оцінка чисельності населення
Найточнішим способом визначення чисельності популяції є підрахунок всіх особин в межах області. Однак цей метод зазвичай не є логістично або економічно доцільним, особливо при вивченні великих площ. Таким чином, вчені зазвичай вивчають популяції шляхом вибірки репрезентативної частини кожного середовища проживання і використовують цю вибірку, щоб зробити висновки про популяції в цілому. Методи, що використовуються для вибірки популяцій для визначення їх розміру та щільності, зазвичай пристосовані до особливостей досліджуваного організму. Для нерухомих організмів, таких як рослини, або для дуже дрібних і тихохідних організмів може використовуватися квадрат. Квадрат - це дерев'яний, пластиковий або металевий квадрат, який випадково розташований на землі і використовується для підрахунку кількості особин, які лежать в його межах. Щоб отримати точний підрахунок за допомогою цього методу, квадрат повинен бути розміщений у випадкових місцях проживання достатньо разів, щоб отримати точну оцінку. Цей метод підрахунку дасть оцінку як чисельності населення, так і щільності. Кількість і розмір квадратних проб залежить від типу організмів і характеру їх поширення.
Для більш дрібних рухомих організмів, таких як ссавці, часто використовується техніка, яка називається маркою та відловлюванням. Цей метод включає маркування зразка захоплених тварин певним чином і звільнення їх назад у навколишнє середовище для змішування з рештою популяції; потім захоплюється новий зразок, і вчені визначають, скільки з позначених тварин знаходиться в новому зразку. Цей метод передбачає, що чим більше популяція, тим менший відсоток помічених організмів, які будуть відбиті, оскільки вони будуть змішані з більшою кількістю непомічених особин. Наприклад, якщо 80 польових мишей захоплені, позначені і випущені в ліс, то другий відловлюють 100 польових мишей і позначають 20 з них, чисельність популяції (N) можна визначити за допомогою наступного рівняння:
\[\dfrac{\text{number marked first catch}\times \text{total number second catch}}{\text{number marked second catch}} = N \nonumber \]
Використовуючи наш приклад, чисельність населення становила б 400.
\[\dfrac{80\times 100}{20}=400 \nonumber \]
Ці результати дають нам оцінку 400 загальних особин у вихідній популяції. Справжнє число, як правило, буде дещо відрізнятися від цього через випадкові помилки та можливі упередження, спричинені методами вибірки.
Поширення видів
Окрім вимірювання щільності, додаткову інформацію про популяцію можна отримати, переглянувши розподіл особин по всьому їх діапазону. Схема розповсюдження видів - це розподіл особин у межах середовища проживання в певний момент часу - для їх опису використовуються широкі категорії закономірностей.
Особи всередині популяції можуть бути розподілені випадковим чином, групами або однаково розташовані один від одного (більш-менш). Вони відомі як випадкові, згущені та рівномірні шаблони розподілу відповідно (рисунок нижче). Різні розподіли відображають важливі аспекти біології виду; вони також впливають на математичні методи, необхідні для оцінки чисельності популяції. Приклад випадкового поширення відбувається з кульбабою та іншими рослинами, які мають дисперговані вітром насіння, які проростають скрізь, де вони потрапляють у сприятливі умови. Скупчений розподіл можна побачити у рослин, які скидають насіння прямо на землю, наприклад, дуби; це також можна побачити у тварин, які живуть у соціальних групах (школи риб або стада слонів). Рівномірний розподіл спостерігається у рослин, які виділяють речовини, що гальмують ріст прилеглих особин (наприклад, виділення рослинами шавлії токсичних хімічних речовин). Це також спостерігається у територіальних видів тварин, таких як пінгвіни, які підтримують певну територію для гніздування. Територіальна оборонна поведінка кожної людини створює регулярну схему розподілу територій та індивідів подібного розміру в межах цих територій. Таким чином, розподіл індивідів всередині популяції дає більше інформації про те, як вони взаємодіють один з одним, ніж просте вимірювання щільності. Подібно до того, як види з меншою щільністю можуть мати більше труднощів знайти пару, одиночні види з випадковим розподілом можуть мати подібні труднощі порівняно з соціальними видами, згуртованими групами.
Малюнок\(\PageIndex{2}\): Види можуть мати випадковий, згущений або рівномірний розподіл. Такі рослини, як (а) кульбаби з насінням, розпорошеним вітром, мають тенденцію випадково розподілятися. Тварини, такі як (б) слони, які подорожують групами, демонструють згрупований розподіл. Територіальні птахи, такі як (c) пінгвіни, як правило, мають рівномірний розподіл. (Кредит а: модифікація роботи Розендаля; кредит b: модифікація роботи Ребекки Вуд; кредит c: модифікація роботи Бена Таббі)Демографія
Хоча чисельність та щільність населення описують населення в певний момент часу, вчені повинні використовувати демографію для вивчення динаміки населення. Демографія - це статистичне дослідження змін населення з плином часу: народжуваності, смертності та тривалості життя. Ці характеристики населення часто відображаються в таблиці життя.
Таблиці життя дають важливу інформацію про історію життя організму та тривалість життя людей у кожному віці. Вони моделюються за актуарними таблицями, які використовуються страховою галуззю для оцінки тривалості життя людини. Таблиці життя можуть включати ймовірність загибелі кожної вікової групи до свого наступного дня народження, відсоток вцілілих осіб, які вмирають у певному віковому інтервалі (рівень їх смертності та тривалість життя на кожному інтервалі). Приклад таблиці життя наведено в таблиці з дослідження гірських овець Далла, виду, що родом з північно-західної Північної Америки. Зверніть увагу, що населення ділиться на вікові інтервали (графа А). Показаний в графі D коефіцієнт смертності (на 1000) заснований на кількості осіб, що вмирають за віковий інтервал (графа В), розділеної на кількість особин, що вижили на початку інтервалу (графа С), помножене на 1000.
\[\text {mortality rate} = \dfrac{\text{number of individuals dying}}{\text{number of individuals surviving}} \times 1000 \nonumber \]
Наприклад, у віці від трьох до чотирьох років 12 особин помирають з 776, які залишилися від оригінальних 1000 овець. Це число потім множиться на 1000, щоб дати рівень смертності на тисячу.
\[\text {mortality rate} = \dfrac{12}{776} \times 1000 \approx 15.5 \nonumber \]
Як видно з даних про рівень смертності (графа D), високий рівень смертності стався, коли вівцям було від шести місяців до року, а потім ще більше збільшився з 8 до 12 років, після чого вижили мало. Дані вказують на те, що якби вівця в цій популяції дожила до віку, можна очікувати, що вона проживе ще 7,7 років в середньому, як це показують показники тривалості життя в стовпці Е.
|
А Віковий інтервал (років) |
Б Кількість вмираючих у віковому інтервалі з 1000 народжених |
C Кількість, що вижили на початку вікового інтервалу з 1000 народжених |
D Рівень смертності на 1000 живих на початку вікового інтервалу |
Е Тривалість життя або середня тривалість життя, що залишилася для тих, хто досягає вікового інтервалу |
|---|---|---|---|---|
| 54 | 1000 | 54.0 | 7.06 | |
| 145 | 946 | 153.3 | - | |
| 12 | 801 | 15,0 | 7.7 | |
| 13 | 789 | 16.5 | 6.8 | |
| 12 | 776 | 15.5 | 5.9 | |
| 30 | 764 | 39.3 | 5.0 | |
| 46 | 734 | 62.7 | 4.2 | |
| 48 | 688 | 69.8 | 3.4 | |
| 69 | 640 | 107.8 | 2.6 | |
| 132 | 571 | 231.2 | 1.9 | |
| 187 | 439 | 426.0 | 1.3 | |
| 156 | 252 | 619,0 | 0.9 | |
| 90 | 96 | 937,5 | 0.6 | |
| 3 | 6 | 500,0 | 1.2 | |
| 3 | 3 | 1000 | 0.7 |
Ця таблиця життя Ovis dalli показує кількість смертей, кількість вижили, рівень смертності та тривалість життя на кожному віковому інтервалі для гірських овець Далла.
Криві виживання
Іншим інструментом, який використовують популяційні екологи, є крива виживання, яка є графіком кількості осіб, що вижили на кожному віковому інтервалі проти часу. Ці криві дозволяють порівняти історії життя різних популяцій (рисунок нижче). Існує три типи кривих виживання. У кривій I типу смертність низька в ранні та середні роки і зустрічається переважно у людей похилого віку. Організми, що демонструють виживання типу I, зазвичай дають мало потомства і забезпечують хороший догляд за потомством, збільшуючи ймовірність їх виживання. Люди та більшість ссавців демонструють криву виживання I типу. У кривих типу II смертність відносно постійна протягом усього життя, і смертність однаково вірогідна в будь-якій точці життя.
Багато популяцій птахів дають приклади проміжної кривої виживання або другого типу. У кривих виживання III типу раннього віку спостерігається найвища смертність із значно нижчими показниками смертності організмів, які досягають похилого віку. Організми III типу зазвичай дають велику кількість потомства, але забезпечують дуже мало або зовсім не доглядають за ними. Дерева та морські безхребетні демонструють криву виживання III типу, оскільки дуже мало з цих організмів виживають свої молодші роки, але ті, які роблять це до старості, швидше за все, виживуть протягом відносно тривалого періоду часу.