4.2: Зростання населення та регулювання

Популяційні екологи використовують різноманітні методи для моделювання динаміки популяції. Точна модель повинна вміти описувати зміни, що відбуваються в популяції, і прогнозувати майбутні зміни. Дві найпростіші моделі приросту населення використовують детерміновані рівняння (рівняння, які не враховують випадкові події) для опису швидкості зміни розмірів популяції з плином часу. Перша з цих моделей, експоненціальне зростання, описує популяції, які збільшуються в чисельності без будь-яких обмежень для їх зростання. Друга модель, логістичне зростання, вводить межі репродуктивного зростання, які стають більш інтенсивними зі збільшенням чисельності населення. Жодна модель адекватно не описує природні популяції, але вони надають точки порівняння.

Експоненціальне зростання

Чарльз Дарвін, розвиваючи свою теорію природного відбору, знаходився під впливом англійського священнослужителя Томаса Мальтуса. Мальтус опублікував свою книгу в 1798 році, заявивши, що популяції з багатими природними ресурсами ростуть дуже швидко. Однак вони обмежують подальше зростання, виснажуючи свої ресурси. Рання закономірність прискорення чисельності населення називається експоненціальним зростанням (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Найкращий приклад експоненціального зростання організмів спостерігається у бактерій. Бактерії - це прокаріоти, які розмножуються швидко, близько години для багатьох видів. Якщо 1000 бактерій помістити у велику колбу з рясним запасом поживних речовин (так поживні речовини не будуть швидко виснажуватися), кількість бактерій збільшиться вдвічі з 1000 до 2000 всього через годину. Ще через годину кожна з 2000 бактерій розділиться, виробляючи 4000 бактерій. Через третю годину в колбі повинно бути 8000 бактерій. Важливою концепцією експоненціального зростання є те, що швидкість зростання - кількість організмів, доданих у кожному репродуктивному поколінні, сама по собі збільшується; тобто чисельність популяції збільшується з більшою і більшою швидкістю. Після 24 з цих циклів популяція збільшилася б з 1000 до більш ніж 16 мільярдів бактерій. Коли розмір популяції, N, будується з часом, утворюється J-подібна крива зростання (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Приклад бактерії в колбі не є справді репрезентативним для реального світу, де ресурси, як правило, обмежені. Однак, коли вид впроваджується в нове середовище існування, яке він вважає придатним, він може демонструвати експоненціальне зростання на деякий час. Що стосується бактерій у колбі, деякі бактерії загинуть під час експерименту і, таким чином, не розмножуються; отже, швидкість росту знижується з максимальної швидкості, при якій немає смертності.

Логістичне зростання

Розширений експоненціальний ріст можливий лише тоді, коли доступні нескінченні природні ресурси; це не так в реальному світі. Чарльз Дарвін визнав цей факт в своєму описі «боротьби за існування», в якій говориться, що особини будуть конкурувати, з представниками свого або іншого виду, за обмежені ресурси. Успішні з них, швидше за все, виживають і передають риси, які зробили їх успішними наступному поколінню з більшою швидкістю (природний відбір). Для моделювання реальності обмежених ресурсів екологи населення розробили модель логістичного зростання.

Вантажопідйомність і логістична модель

У реальному світі, з його обмеженими ресурсами, експоненціальне зростання не може тривати нескінченно довго. Експоненціальне зростання може відбуватися в середовищах, де мало людей і багато ресурсів, але коли кількість людей стане достатньо великою, ресурси будуть виснажені, а темпи зростання сповільниться. Зрештою, темпи зростання будуть плато або вирівнюватися (рис.\(\PageIndex{1}\)). Цей розмір популяції, який визначається максимальною чисельністю населення, яку може витримати конкретне середовище, називається пропускною здатністю, що символізується як K. У реальному населенні зростаюче населення часто перевищує свою пропускну здатність, а рівень смертності збільшується за межі народжуваності, внаслідок чого чисельність населення зменшується назад до пропускної здатності або нижче неї. Більшість населення зазвичай коливаються навколо вантажопідйомності хвилеподібно, а не існуючи прямо на ній.

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Коли ресурси необмежені, популяції демонструють (а) експоненціальне зростання, показане у J-подібній кривій. Коли ресурси обмежені, населення демонструє (б) логістичне зростання. При логістичному зростанні розширення населення зменшується, оскільки ресурси стають дефіцитними, і воно вирівнюється, коли досягається пропускна здатність навколишнього середовища. Крива логістичного зростання має S-подібну форму.

Графік логістичного зростання дає S-подібну криву (рис.\(\PageIndex{1}\)). Це більш реалістична модель зростання населення, ніж експоненціальне зростання. Є три різні секції до S-подібної кривої. Спочатку зростання є експоненціальним, оскільки існує мало людей та достатньо ресурсів. Потім, коли ресурси починають обмежуватися, темпи зростання знижуються. Нарешті, темпи зростання рівнів на несучій здатності навколишнього середовища, з невеликою зміною чисельності населення з часом.

Приклади логістичного зростання

Дріжджі, одноклітинний гриб, який використовується для приготування хліба і алкогольних напоїв, при вирощуванні в пробірці демонструють класичну S-подібну криву (рис.\(\PageIndex{2}\) А). Рівень його зростання знижується, оскільки населення виснажує поживні речовини, необхідні для його зростання. Однак у реальному світі існують варіації цієї ідеалізованої кривої. Приклади в диких популяціях включають овець і морських тюленів (рис.\(\PageIndex{2}\) b). В обох прикладах чисельність населення перевищує вантажопідйомність протягом коротких періодів часу, а потім падає нижче вантажопідйомності. Це коливання чисельності населення продовжує відбуватися, оскільки населення коливається навколо своєї пропускної здатності. Все-таки навіть при цьому коливанні логістична модель підтверджується.

Малюнок\(\PageIndex{2}\). (а) Дріжджі, вирощені в ідеальних умовах в пробірці, показують класичну S-подібну логістичну криву зростання, тоді як (б) природна популяція ущільнень показує реальні коливання. Дріжджі візуалізуються за допомогою диференціальної інтерференційної контрастної світлової мікрографії. (Кредит на: дані шкали від Метта Рассела)

Динаміка та регулювання населення

Логістична модель приросту населення, хоча і діє в багатьох природних популяціях і є корисною моделлю, є спрощенням динаміки реальної чисельності населення. Неявним у моделі є те, що вантажопідйомність навколишнього середовища не змінюється, що не так. Вантажопідйомність змінюється щорічно. Наприклад, деякі літа спекотне і сухе, тоді як інші холодне і вологе; у багатьох районах вантажопідйомність взимку набагато нижча, ніж влітку. Крім того, природні події, такі як землетруси, вулкани та пожежі, можуть змінити навколишнє середовище, а отже, і його несучу здатність. Крім того, популяції зазвичай не існують ізольовано. Вони поділяють навколишнє середовище з іншими видами, конкуруючи з ними за ті ж ресурси (міжвидова конкуренція). Ці фактори також важливі для розуміння того, як буде рости конкретне населення.

Чому шерстистий мамонт вимерв?

Більшість популяцій шерстистих мамонтів вимерли близько 10 000 років тому, незабаром після того, як палеонтологи вважають, що люди почали колонізувати Північну Америку і північну Євразію (рис.\(\PageIndex{3}\)). Популяція мамонтів вижила на острові Врангеля, в Східно-Сибірському морі, і була ізольована від людського контакту аж до 1700 року до н.е. Ми знаємо багато про цих тварин з тушок, знайдених замороженими в льодах Сибіру та інших північних регіонів.

Малюнок\(\PageIndex{3}\). Три зображення включають: (а) 1916 мурал стада мамонтів з Американського музею природознавства, (б) єдиний в світі опудало мамонта знаходиться в Музеї зоології, розташованому в Санкт-Петербурзі, Росія, і (в) одномісячного мамонта на ім'я Люба, виявлений в Сибіру в 2007 році. (Кредит а: модифікація роботи Чарльза Р. Найта; кредит b: модифікація роботи «Tanapon» /Flickr; кредит c: модифікація роботи Метта Хоурі)

Прийнято вважати, що зміна клімату та людське полювання призвели до їх вимирання. Дослідження 2008 року підрахувало, що зміна клімату зменшила діапазон мамонта з 3,000,000 квадратних миль 42 000 років тому до 310,000 квадратних миль 6,000 років тому. ² Через археологічні докази місць вбивства також добре задокументовано, що люди полювали на цих тварин. Дослідження 2012 року прийшло до висновку, що жоден фактор не був виключно відповідальним за вимирання цих чудових істот. ³ Окрім зміни клімату та скорочення середовища існування, вчені продемонстрували ще одним важливим фактором вимирання мамонта стала міграція мисливців на людину через Берингову протоку до Північної Америки протягом останнього льодовикового періоду 20 000 років тому.

Підтримка стабільних популяцій була і є дуже складною, з безліччю взаємодіючих факторів, що визначають результат. Важливо пам'ятати, що людина також є частиною природи. Колись ми сприяли занепаду виду, використовуючи лише примітивні технології полювання.

Демографічні моделі населення

Популяційні екологи висунули гіпотезу, що набори характеристик можуть розвиватися у видів, які призводять до особливої адаптації до їхнього середовища. Ці пристосування впливають на зростання популяції їх видового досвіду. Характеристики історії життя, такі як народжуваність, вік при першому розмноженні, кількість потомства і навіть рівень смертності, розвиваються так само, як анатомія або поведінка, що призводить до адаптацій, які впливають на зростання населення. Популяційні екологи описали континуум життєвої історії «стратегій» з K -вибраними видами на одному кінці та r -вибраними видами на іншому. K -вибрані види пристосовані до стабільних, передбачуваних середовищ. Популяції K -вибраних видів, як правило, існують близько до їх несучої здатності. Ці види, як правило, мають більше, але менше потомства і вносять велику кількість ресурсів кожному потомству. Слони були б прикладом K -вибраних видів. r -вибрані види пристосовані до нестабільних і непередбачуваних середовищ. У них велика кількість дрібного потомства. Тварини, які відбираються, не надають багато ресурсів або батьківської турботи потомству, а потомство є відносно самодостатнім при народженні. Прикладами r -вибраних видів є морські безхребетні, такі як медузи та рослини, такі як кульбаба. Дві крайні стратегії знаходяться на двох кінцях континууму, на якому існуватимуть історії життя реальних видів. Крім того, стратегії життєвої історії не повинні еволюціонувати як сюїти, але можуть розвиватися незалежно один від одного, тому кожен вид може мати деякі характеристики, які схильні до тієї чи іншої крайності.

Автори та атрибуція

• Динаміка населення та регулювання за OpenStax ліцензується відповідно до CC BY 4.0. Модифікований з оригіналу Метью Р. Фішер.