Populačná ekológia je pododdiel ekológie, ktorý sa zaoberá dynamikou populácií druhov a tým, ako tieto populácie interagujú s prostredím. Ide o štúdium toho, ako sa veľkosť populácie druhov mení v čase a priestore. Termín sa často používa zameniteľne s populačnou biológiou alebo populačnou dynamikou. Často tiež opisuje typy boja o existenciu. V dôsledku prirodzeného výberu sa zvyšuje počet jedincov, ktorí sú maximálne prispôsobení.
V biológii je populácia stupeň rozšírenia určitého druhu alebo určitého počtu jeho zástupcov žijúcich v jednej oblasti.
História
Ako to všetko začalo? Vývoj populačnej ekológie do značnej miery súvisí s demografiou a súčasnými tabuľkami života. Táto časť je v súčasných podmienkach prostredia veľmi dôležitá.
Populačná ekológia je dôležitá v ochranárskej biológii, najmä keďvypracovanie analýzy životaschopnosti populácie (PVA), ktorá predpovedá dlhodobú pravdepodobnosť zotrvania druhu v danom biotope. Hoci je táto ekológia poddruhom biológie, predstavuje zaujímavé problémy pre matematikov a štatistikov, ktorí pracujú v oblasti populačnej dynamiky. V biológii je populácia jedným z ústredných pojmov.
Models
Ako každá veda, aj ekológia používa modely. Zjednodušené modely populačných zmien zvyčajne začínajú štyrmi kľúčovými premennými (štyri demografické procesy), vrátane úmrtia, narodenia, imigrácie a emigrácie. Matematické modely používané na výpočet zmien v demografickej situácii a vývoji populácie predpokladajú absenciu vonkajšieho vplyvu. Modely môžu byť matematicky zložitejšie, keď „…súčasne s údajmi koliduje niekoľko konkurenčných hypotéz.“
Akýkoľvek model populačného vývoja možno použiť na matematické odvodenie určitých vlastností geometrických populácií. Populácia s geometricky narastajúcou veľkosťou je populácia, kde sa plemenné generácie neprekrývajú. V každej generácii existuje efektívna veľkosť populácie (a územie), označovaná ako Ne, čo je počet jedincov v populácii, ktorí sa môžu a budú rozmnožovať v akejkoľvek reprodukčnej generácii. Čo spôsobuje obavy.
Teória výberu r/K
Dôležitým konceptom v populačnej ekológii je teória výberu r/K. Prvou premennou je r (vnútorná miera prirodzeného prírastkuveľkosť populácie, nezávisí od hustoty) a druhou premennou je K (únosnosť populácie, závisí od hustoty). Určitú úlohu v tom zohrávajú vnútrodruhové vzťahy.
R-selektovaný druh (napr. mnohé druhy hmyzu, ako sú vošky) je druh, ktorý má vysokú plodnosť, nízku investíciu rodičov do mláďat a vysokú úmrtnosť pred dosiahnutím zrelosti jedincov. Evolúcia podporuje produktivitu v r-vybraných druhoch. Na rozdiel od toho, K-vybrané druhy (ako sú ľudia) majú nízku mieru plodnosti, vysokú úroveň rodičovskej investície v mladom veku a nízku mieru úmrtnosti, keď jednotlivci dospievajú.
Evolúcia u K-vybraných druhov podporuje efektívnosť pri premene väčšieho množstva zdrojov na menej potomkov. V dôsledku neproduktívnych medzidruhových vzťahov môžu títo potomkovia vyhynúť a stať sa poslednými predstaviteľmi ich populácie.
História teórie
Terminológiu r/K-selection vymysleli ekológovia Robert MacArthur a E. O. Wilson v roku 1967 na základe svojej práce o biogeografii ostrovov. Táto teória umožňuje identifikovať príčiny populačných fluktuácií.
Táto teória bola populárna v 70. a 80. rokoch 20. storočia, keď sa používala ako heuristický nástroj, no upadla do nemilosti začiatkom 90. rokov, keď ju kritizovali viaceré empirické štúdie. Paradigma životnej histórie nahradila paradigmu výberu r/K, no naďalej zahŕňa mnohé z jej dôležitých tém. Hlavná je túžba po reprodukciihybnou silou evolúcie, takže táto teória je mimoriadne užitočná pre jej štúdium.
R-vybrané druhy sú teda tie, ktoré zdôrazňujú vysokú mieru rastu, majú tendenciu využívať menej preplnené ekologické niky a produkujú veľa potomkov, z ktorých každý má relatívne nízku pravdepodobnosť prežitia do dospelosti (t.j. vysoké r, nízke K). Typickým druhom r je púpava (rod Taraxacum).
V nestabilných alebo nepredvídateľných prostrediach prevláda r-výber vďaka schopnosti rýchlo sa množiť. Pri adaptáciách, ktoré mu umožňujú úspešne konkurovať iným organizmom, je malá výhoda, pretože prostredie sa pravdepodobne opäť zmení. Medzi vlastnosti, o ktorých sa predpokladá, že charakterizujú r-selekciu, patrí: vysoká plodnosť, malá veľkosť tela, skorý začiatok dospelosti, krátky generačný čas a schopnosť rozptýliť potomstvo.
Organizmy, ktorých životná história prechádza r-selekciou, sa často označujú ako r-stratégovia. Organizmy, ktoré vykazujú r-selektované znaky, môžu siahať od baktérií a rozsievok po hmyz a trávy, ako aj rôzne sedemlaločné hlavonožce a malé cicavce, najmä hlodavce. Diferenciálna teória K má nepriamu súvislosť s prirodzeným výberom zvierat.
Výber druhov
K-vybrané druhy vykazujú vlastnosti spojené so životom v hustote blízkej nosnej kapacite a majú tendenciu byť silnými konkurentmi v preplnených výklenkoch, ktoré investujú viac do menejpočet potomkov. Každý z nich má relatívne vysokú pravdepodobnosť, že sa dožije dospelosti (t. j. nízke r, vysoké k). Vo vedeckej literatúre sa r-selektované druhy niekedy označujú ako „oportunistické“, zatiaľ čo K-selektované druhy sú opísané ako „rovnovážne“.
V stabilných alebo predvídateľných podmienkach prevláda K-selekcia, pretože schopnosť úspešne súťažiť o obmedzené zdroje je kritická a populácie K-selektovaných organizmov sú zvyčajne veľmi konštantné čo do počtu a blížia sa k maximu, ktoré môže prostredie dosiahnuť. podpora. Na rozdiel od r-selected, kde sa veľkosť populácie môže meniť oveľa rýchlejšie. Nízke počty vedú k incestu, ktorý je jednou z príčin mutácií.
Charakteristika
Znaky, o ktorých sa predpokladá, že sú charakteristické pre K-selekciu, zahŕňajú veľké telesné rozmery, dlhú životnosť a produkciu menšieho počtu potomkov, ktoré si často vyžadujú starostlivú starostlivosť rodičov, kým nedospejú. Organizmy, ktorých životná história je K-selektovaná, sa často označujú ako K-stratégovia alebo K-selektovaní. Organizmy s vlastnosťami vybranými pre K zahŕňajú veľké organizmy, ako sú slony, ľudia a veľryby, ako aj menšie organizmy s dlhšou životnosťou, ako sú rybáre arktické, papagáje a orly. Nárast populácie je jedným z bojov o existenciu.
Klasifikácia organizmov
Hoci niektoré organizmy sú primárne identifikované ako r- alebo K-stratégovia, väčšina organizmov sa neriadi týmto vzorcom. Napríklad stromy majú vlastnosti ako naprdlhovekosť a vysoká konkurencieschopnosť, ktoré ich charakterizujú ako K-stratégov. Pri rozmnožovaní však stromy zvyčajne produkujú tisíce potomkov a rozširujú ich široko, čo je typické pre r-stratégov.
Podobne aj plazy, ako sú morské korytnačky, majú r- aj k-charakteristiky: hoci sú morské korytnačky veľké organizmy s dlhou životnosťou (za predpokladu, že dosiahnu dospelosť), produkujú veľké množstvo nepozorovaných potomkov.
Iné výrazy
Dichotómia r/K môže byť opätovne vyjadrená ako súvislé spektrum pomocou ekonomického konceptu diskontovaných budúcich výnosov, pričom r-výber zodpovedá veľkým diskontným sadzbám a K-výber zodpovedá malým diskontným sadzbám.
V oblastiach s vážnym narušením životného prostredia alebo sterilizáciou (napr. po veľkej sopečnej erupcii, ako je Krakatoa alebo Mount St. Helens) hrajú r- a K-stratégovia rôzne úlohy v ekologickom slede, ktorý obnovuje ekosystém. V dôsledku vyššej miery rozmnožovania a ekologického oportunizmu sú primárnymi kolonizátormi skôr stratégovia a po nich nasleduje reťaz rastúcej konkurencie medzi rastlinným a živočíšnym životom. Schopnosť prostredia zvyšovať obsah energie prostredníctvom fotosyntetického zachytávania slnečnej energie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa komplexnou biodiverzitou, keďže r-druhy sa množia na maximum možné spomocou stratégií K.
Nová rovnováha
Nakoniec nastáva nová rovnováha (niekedy nazývaná kulminujúca komunita), keď r-stratégov postupne nahrádzajú K-stratégovia, ktorí sú konkurencieschopnejší a lepšie sa prispôsobujú vznikajúcim mikroekologickým zmenám krajiny. Tradične sa biodiverzita v tomto štádiu považovala za maximalizovanú zavedením nových druhov, čo viedlo k nahradeniu a miestnemu vyhynutiu endemických druhov. Hypotéza stredného narušenia však uvádza, že stredné úrovne narušenia v krajine vytvárajú škvrny na rôznych úrovniach postupnosti, čo uľahčuje koexistenciu kolonizátorov a konkurentov v regionálnom meradle.
Hoci sa teória výberu r/K všeobecne používa na úrovni druhov, je užitočná aj na štúdium vývoja ekologických a životných rozdielov medzi poddruhmi. Napríklad africká včela medonosná A. m. scutellata a talianska včela A. m. ligustica. Na druhom konci stupnice sa používa aj na štúdium evolučnej ekológie celých skupín organizmov, ako sú bakteriofágy.
Výskumné názory
Niektorí výskumníci ako Lee Ellis, J. Philip Rushton a Aurelio Jose Figueredo aplikovali teóriu r/K selekcie na rôzne ľudské správanie, vrátane delikvencie, sexuálnej promiskuity, plodnosti a iných čŕt súvisiacich s teóriou histórie života. Rushtonova práca ho viedla k vyvinutiu „teórie diferenciálu K“, aby sa pokúsil vysvetliť mnohé rozdiely v ľudskom správaní v rôznych geografických oblastiach. A táto teória bola kritizovaná mnohými ďalšími výskumníkmi. Posledne menovaný naznačuje, že vývoj ľudských zápalových reakcií súvisí s výberom r/K.
Hoci sa teória výberu r/K začala vo veľkej miere používať v 70. rokoch 20. storočia, venuje sa jej čoraz väčšia pozornosť. Najmä recenzia ekológa Stephena S. Stearnsa upozornila na medzery v teórii a na nejednoznačnosti pri interpretácii empirických údajov na jej testovanie.
Ďalší výskum
V roku 1981 Parryho prehľad literatúry o r/K selekcii z roku 1981 ukázal, že neexistuje zhoda medzi výskumníkmi používajúcimi teóriu definovania r- a K-selekcie, čo ho viedlo k spochybneniu predpokladu vzťahu medzi reprodukčným náklady. funkcia.
Štúdia Templetona a Johnsona z roku 1982 ukázala, že v populácii Drosophila mercatorum (poddruh muchy) vystavenej K-selekcii v skutočnosti produkuje vyššiu frekvenciu znakov typicky spojených s r-selekciou. V rokoch 1977 až 1994 bolo publikovaných aj niekoľko ďalších štúdií, ktoré odporujú predpovediam teórie výberu r/K.
Keď Stearns v roku 1992 preskúmal stav teórie, poznamenal, že od roku 1977 do roku 1982 služba vyhľadávania literatúry BIOSIS v priemere 42 citácií teórií za rok, ale od roku 1984 do roku 1989 priemer klesol na 16 za rok. a naďalej klesal. Dospel k záveru, že teória r/K bola kedysi užitočná heuristika, ktorá už neslúži účelu v teórii histórie života.
Naposledy panarchická teória adaptívnostischopnosti a odolnosť podporované S. S. Hollingom a Lanceom Gundersonom oživili záujem o teóriu a používajú ju ako spôsob integrácie sociálnych systémov, ekonómie a ekológie.
Metapopulačná ekológia
Metapopulačná ekológia je zjednodušený model krajiny na oblasti s rôznou úrovňou kvality. Migranti pohybujúci sa medzi lokalitami sú štruktúrovaní v metapopuláciách ako zdroje alebo záchyty. V metapopulačnej terminológii existujú emigranti (jednotlivci, ktorí opustia lokalitu) a prisťahovalci (jednotlivci, ktorí sa presťahujú do lokality).
Metapopulačné modely skúmajú dynamiku lokality v priebehu času, aby odpovedali na otázky o priestorovej a demografickej ekológii. Dôležitým pojmom v metapopulačnej ekológii je záchranný efekt, pri ktorom sa sezónnym prílevom nových imigrantov udržujú malé miesta nižšej kvality (t. j. prepady).
Štruktúra metapopulácie sa z roka na rok vyvíja, pričom niektoré lokality sú ponormi, napríklad suché roky, a keď sú podmienky priaznivejšie, stávajú sa prameňmi. Ekológovia používajú zmes počítačových modelov a terénnych štúdií na vysvetlenie štruktúry metapopulácií. Veková štruktúra populácie je prítomnosť zástupcov určitého veku v populácii.
Autoekológia
Starší výraz autoekológia (z gréčtiny: αὐτο, auto, „ja“; οίκος, oikos, „domácnosť“a λόγος, logos, „znalosť“), označujezhruba v rovnakom študijnom odbore ako ekológia obyvateľstva. Vyplýva to z delenia ekológie na autekológiu - náuku o jednotlivých druhoch vo vzťahu k životnému prostrediu - a synekológiu - náuku o skupinách organizmov vo vzťahu k životnému prostrediu - alebo ekológiu spoločenstva. Odum (americký biológ) veril, že synekológia by sa mala rozdeliť na populačnú ekológiu, komunitnú ekológiu a ekológiu ekosystémov, pričom autoekológiu definovala ako „ekológiu druhov“.
Biológovia však už nejaký čas uznávajú, že väčšou úrovňou organizácie druhu je populácia, pretože na tejto úrovni je genofond druhu najkonzistentnejší. V skutočnosti Odum považoval „autoekológiu“za „súčasný trend“v ekológii (t. j. za archaický termín), hoci „ekológiu druhov“zahrnul ako jednu zo štyroch divízií ekológie.
Prvá publikácia Population Ecology (pôvodne nazývaná Population Ecology Research) bola vydaná v roku 1952.
Výskumné práce o populačnej ekológii možno nájsť aj v časopisoch o ekológii zvierat.
Populačná dynamika
Populačná dynamika je odvetvie biologických vied, ktoré študuje veľkosť a vekové zloženie populácií ako dynamických systémov a biologické a environmentálne procesy, ktoré ich poháňajú (napríklad pôrodnosť a úmrtnosť, imigrácia a emigrácia). Príkladmi scenárov sú starnutie populácie, rast alebo kontrakcia.
Exponenciálny rast popisuje neregulovanú reprodukciu. To je veľmi nezvyčajné vidieť v prírode. Rast populácie bol za posledných 100 rokov exponenciálny.
Thomas M althus veril, že rast populácie povedie k preľudneniu a hladovaniu v dôsledku nedostatku zdrojov vrátane potravín. V budúcnosti ľudia nebudú schopní uživiť veľké populácie. Biologickým predpokladom exponenciálneho rastu je, že tempo rastu na obyvateľa je konštantné. Rast nie je obmedzený na nedostatok zdrojov alebo dravosť.
Populačná dynamika bola široko používaná v niekoľkých aplikáciách teórie riadenia. Pomocou evolučnej teórie hier sa populačné hry široko používajú v rôznych priemyselných a každodenných kontextoch. Používajú sa hlavne v systémoch s viacerými vstupmi a výstupmi (MIMO), hoci môžu byť prispôsobené na použitie v systémoch s jedným vstupom a jedným výstupom (SISO). Niektoré príklady aplikácií sú vojenské kampane, distribúcia zdrojov na distribúciu vody, odoslanie distribuovaných generátorov, laboratórne experimenty, problémy s dopravou, problémy s komunikáciou. Navyše, pri adekvátnej kontextualizácii produkčných problémov môže byť populačná dynamika efektívnym a ľahko aplikovateľným riešením problémov kontroly. Prebiehalo a prebieha množstvo vedeckých štúdií.
Preľudnenie
Premnoženie nastáva, keď populácia druhu prekročí únosnú kapacitu ekologickej niky. Toto môže byť výsledokzvýšenie pôrodnosti (plodnosti), zníženie úmrtnosti, nárast imigrácie alebo neudržateľný bióm a vyčerpanie zdrojov. Navyše to znamená, že ak je v jednom biotope príliš veľa ľudí, ľudia obmedzujú zdroje dostupné na prežitie. Veková štruktúra obyvateľstva nehrá zvláštnu úlohu.
Vo voľnej prírode premnoženie často spôsobuje nárast populácie predátorov. To má za následok kontrolu populácie koristi a zabezpečenie jej vývoja v prospech genetických vlastností, vďaka ktorým je menej zraniteľná voči predátorom (a dravec sa môže vyvíjať spoločne).
V neprítomnosti predátorov sú druhy viazané zdrojmi, ktoré môžu nájsť vo svojom prostredí, ale to nemusí nevyhnutne kontrolovať premnoženie. Aspoň z krátkodobého hľadiska. Bohatá ponuka zdrojov môže viesť k populačnému boomu, po ktorom nasleduje populačná kríza. Hlodavce ako lemmings a hraboše majú tieto cykly rýchleho rastu populácie a následného poklesu. Populácie zajacov snežnicových sa tiež dramaticky cyklicky menia, rovnako ako jeden z predátorov, ktorý ich loví, rys. Sledovanie tohto trendu je oveľa jednoduchšie ako identifikácia genómu populácie.
