Войти
Человеческое население растет в логистическая ставка и, в свою очередь, влияет на популяции других видов. Химическое загрязнение, вырубка лесов и население - очень большие проблемы. Орошение - это примеры средств, с помощью которых люди могут влиять на популяционную экологию других видов. По мере увеличения численности населения его влияние на популяции других видов также может усиливаться. Развитие популяционной экологии во многом обязано демографии и актуарным таблицы дожития. Экология популяций важна в биологии сохранения, особенно при разработке анализа жизнеспособности популяций (PVA), который позволяет прогнозировать долгосрочную вероятность сохранения вида в данной среде обитания. патч. Хотя популяционная экология - это подполе биологии, она создает интересные проблемы для математиков и статистиков, которые работают в динамике популяции.
| Термин | Определение |
|---|---|
| Видовая популяция | Все особи вида. |
| Метапопуляция | Набор пространственно разделенных популяций, среди которых наблюдается некоторая миграция. |
| Популяция | Группа лиц определенного вида, которая демографически, генетически или пространственно отделена от других групп лиц. |
| Агрегация | Пространственно сгруппированная группа людей. |
| Деме | Группа людей, более генетически похожих друг на друга, чем на других людей, обычно с некоторой степенью пространственной изоляции. |
| Местная популяция | Группа особей в пределах ограниченного исследователем района, меньшего, чем географический ареал вида, и часто в пределах популяции (как определено выше). Местное население тоже могло быть разобщенным. |
| Подпопуляция | Произвольная пространственно ограниченная подмножество особей из популяции (как определено выше). |
Самый фундаментальный закон популяционной экологии - это Томас Мальтус 'экспоненциальный закон роста популяции.
Популяция будет расти (или уменьшаться) экспоненциально до тех пор, пока окружающая среда, с которой сталкиваются все люди в популяции остается постоянным.
Томас Роберт Мальтус Этот принцип популяционной экологии обеспечивает основу для формулирования прогностических теорий и следующих тестов:
Упрощенные популяционные модели обычно начинаются с четырех ключевых переменных (четыре демографические процессы ), включая смерть, рождение, иммиграцию и эмиграцию. Математические модели, используемые для расчета изменений в демографии и эволюции населения, содержат предположение (или нулевую гипотезу ) об отсутствии внешнего влияния. Модели могут быть более сложными с математической точки зрения, когда «... нескольким конкурирующим гипотезам одновременно сопоставляются данные». Например, в закрытой системе, где иммиграция и эмиграция не происходят, скорость изменения количества людей в популяции может быть описана как:
где N - общее количество особей среди населения, B - исходное число рождений, D - исходное количество смертей, b и d - на душу коэффициенты рождаемости и смертности соответственно, а r - на душу среднее количество выживших потомков, которые имеет каждая особь. Эту формулу можно прочитать как скорость изменения численности населения (dN / dT), равную рождению минус смертность (B - D).
Используя эти методы, принцип роста населения Мальтуса позже был преобразован в математическая модель, известная как логистическое уравнение :
где N - плотность биомассы, a - максимальная скорость изменения на душу населения, а K - пропускная способность популяции. Формулу можно прочитать так: скорость изменения популяции (dN / dT) равна приросту (aN), который ограничен пропускной способностью (1-N / K). На основе этих основных математических принципов дисциплина популяционной экологии расширяется до области исследования, которое запрашивает демографические реальные популяции и проверяет эти результаты на статистических моделях. В области популяционной экологии часто используются данные об истории жизни и матричной алгебре для разработки матриц прогнозов плодовитости и выживаемости. Эта информация используется для управления запасами диких животных и установления квот вылова
Популяции Operophtera brumata (зимняя бабочка) являются геометрическими. Популяционной моделью, приведенной ниже, можно управлять для математического вывода определенных свойств геометрической популяции. Популяция, размер которой увеличивается геометрически, - это популяция, в которой поколения воспроизводства не перекрываются. В каждом поколении существует эффективный размер популяции, обозначаемый как Ne, который представляет собой количество особей в популяции, которые способны воспроизводить и будут воспроизводиться в любом рассматриваемом репродуктивном поколении. В модели генеральной совокупности ниже предполагается, что N - эффективный размер совокупности.
Предположение 01 : Ne=N
Nt + 1 = N t + B t + I t - D t - E t
| Термин | Определение |
|---|---|
| Nt + 1 | Размер популяции в поколении после поколение t. Это может быть текущее поколение или следующее (предстоящее) поколение в зависимости от ситуации, в которой используется популяционная модель. |
| Nt | Размер популяции в поколении t. |
| Bt | Сумма (Σ) рождений в популяции между поколениями tи t+1. Также известен как сырой коэффициент рождаемости. |
| It | Сумма (Σ) иммигрантов, перемещающихся в популяцию между поколениями tи t+1. Также известен как rawиммиграционная ставка. |
| Dt | Сумма (Σ) смертей в популяции между поколениями tи t+1. Также известен как сырой коэффициент смертности. |
| Et | Сумма (Σ) эмигрантов, покидающих население между поколениями tи t+1. Также известен как сыройкоэффициент эмиграции. |
Общая разница между популяциями, которые растут экспоненциально и геометрически. Геометрические популяции растут в репродуктивных поколениях между интервалами воздержания от воспроизводства. Экспоненциальные популяции растут без обозначенных периодов воспроизводства. Воспроизведение - это непрерывный процесс, и поколения воспроизведения накладываются друг на друга. На этом графике показаны две гипотетические популяции: одна популяция растет периодически (и, следовательно, геометрически), а другая постоянно растет (и, следовательно, экспоненциально). Для популяций на графике период удвоения составляет 1 год. Численность населения на графике гипотетическая. В действительности время удвоения различается для разных популяций. Допущение 02 : нет миграции в популяцию или из нее (N)
It= E t = 0
Nt + 1 = N t + B t - D t
сырые коэффициенты рождаемости и смертности связаны с рождением на душу населения и коэффициенты смертности:
Bt= b t × N t
Dt= d t × N t
bt= B t / N t
dt= D t / N t
| Термин | Определение |
|---|---|
| bt | На душу населения коэффициент рождаемости. |
| dt | На душу населения коэффициент смертности. |
Следовательно:
Nt + 1 = N t + (b t × N t) - (d t × N t)
Предположение 03 : btи dtпостоянны (т.е. они не меняют каждое поколение).
Nt + 1 = N t + (bN t) - (dN t)
| Срок | Определение |
|---|---|
| b | Постоянный коэффициент рождаемости на душу населения . |
| d | Постоянный коэффициент смертности на душу населения . |
Взять член Ntвне скобок.
Nt + 1 = N t + (b - d) N t
b - d = R
| Член | Определение |
|---|---|
| R | Геометрическая скорость увеличения. |
Nt + 1 = N t + RN t
Nt + 1 = (N t + RN t)
Выньте член Ntснова из скобок.
Nt + 1 = (1 + R) N t
1 + R = λ
| Член | Определение |
|---|---|
| λ | Конечная скорость увеличения. |
Nt + 1 = λN t
| At t + 1 | Nt + 1 = λN t |
| At t + 2 | Nt + 2 = λN t + 1 = λλN t = λN t |
| At t + 3 | Nt + 3 = λN t + 2 = λλN t + 1 = λλλN t = λN t |
| At t + 4 | Nt + 4 = λN t + 3 = λλN t + 2 = λλλN t + 1 = λλλλN t = λN t |
| At t + 5 | Nt + 5 = λN t + 4 = λλN t + 3 = λλλN t +2 = λλλλN t + 1 = λλλλλN t = λN t |
Следовательно:
Nt + 1 = λN t
| Срок | Определение |
|---|---|
| λ | Конечная скорость увеличения, возведенная в степень числа поколений (например, для t+2[два поколения] → λ, для t+1[одно поколение] → λ = λ, а для t[перед любыми поколениями - в нулевой момент времени] → λ = 1 |
G. stearothermophilus имеет более короткое время удвоения (td), чем E. coli и N. meningitidis. Скорость роста 2 бактерий виды будут отличаться на неожиданные порядки, если удвоение Время работы двух видов различается даже на 10 минут. У эукариот, таких как животные, грибы, растения и простейшие, время удвоения намного больше, чем у бактерий. Это снижает скорость роста эукариот по сравнению с бактериями. Г. stearothermophilus, E. coli и N. meningitidis имеют время удвоения 20, 30 и 40 минут при оптимальных условиях соответственно. Если бы популяции бактерий могли расти бесконечно (а они этого не делают), то количество бактерий в каждом виде приблизилось бы к бесконечности (∞ ). Однако процент бактерий G. stearothermophilus среди всех бактерий приближается к 100%, в то время как процентное содержание E. coli и N. meningitidis, вместе взятых, из всех бактерий приближается к 0% . Этот график является симуляцией этого гипотетического сценария. В действительности, популяции бактерий не растут бесконечно, и для трех видов требуются разные оптимальные условия, чтобы свести время удвоения к минимуму. | Время в минутах | %, то есть G. stearothermophilus |
|---|---|
| 30 | 44,4% |
| 60 | 53,3% |
| 90 | 64,9% |
| 120 | 72,7% |
| →∞ | 100% |
| Время в минутах | %, то есть E. coli |
|---|---|
| 30 | 29,6% |
| 60 | 26,7% |
| 90 | 21,6% |
| 120 | 18,2% |
| →∞ | 0,00% |
| Время в минутах | %, т.е. N. meningitidis |
|---|---|
| 30 | 25,9% |
| 60 | 20,0% |
| 90 | 13,5% |
| 120 | 9,10% |
| →∞ | 0,00% |
Время удвоения популяции - это время, необходимое для того, чтобы популяция увеличилась вдвое. Мы можем рассчитать время удвоения геометрической популяции, используя уравнение: Nt + 1 = λN t, используя наши знания о том, что популяция (N) после времени удвоения вдвое больше (2N).
2Ntd= λ × N t
| Член | Определение |
|---|---|
| td | Время удвоения. |
λ = 2N td/ N t
λ = 2
Время удвоения можно найти путем логарифмирования. Например:
td× log 2 (λ) = log 2 (2)
log 2 (2) = 1
td× log 2 (λ) = 1
td= 1 / log 2 (λ)
Или:
td× ln (λ) = ln (2)
td= ln (2) / ln (λ)
td= 0,693... / ln (λ)
Следовательно:
td= 1 / log 2 (λ) = 0,693... / ln (λ)
Период полураспада популяции - это время, необходимое для того, чтобы популяция уменьшилась до половины своего размера. Мы можем рассчитать период полураспада геометрической популяции, используя уравнение: Nt + 1 = λN t, используя наши знания о том, что популяция (N) составляет половину его размер (0,5N) после периода полураспада.
0,5N t 1/2 = λ × N t
| Срок | Определение |
|---|---|
| t1/2 | Период полураспада. |
λ = 0,5N t 1/2 / N t
λ = 0,5
Период полураспада может быть вычислен путем логарифмирования (см. Выше).
t1/2 = 1 / log 0,5 (λ) = ln (0,5) / ln (λ)
R = b - d
Nt + 1 = N t + RN t
Nt + 1 - N t = RN t
Nt + 1 - N t = ΔN
| Термин | Определение |
|---|---|
| ΔN | Изменение численности популяции между двумя поколениями (между поколение t+1и t). |
ΔN = RN t
ΔN / N t = R
1 + R = λ
Nt + 1 = λN t
λ = N t + 1 / N t
В геометрической совокупности R и λ представляют константы роста (см. 2 и 2.3 ). Однако в экспоненциальных популяциях собственная скорость роста, также известная как собственная скорость увеличения (r), является релевантной константой роста. Поскольку поколения воспроизводства в геометрической популяции не перекрываются (например, воспроизводятся один раз в год), но имеют место в экспоненциальной популяции, геометрическая и экспоненциальная популяции обычно считаются взаимоисключающими. Однако геометрические константы и экспоненциальные константы разделяют математическое соотношение, указанное ниже.
Уравнение роста для экспоненциальной популяции:
Nt= N 0e
| Член | Определение |
|---|---|
| e | число Эйлера - универсальная константа, часто применяемая в экспоненциальных уравнениях. |
| r | внутренняя скорость роста - также известная как внутренняя скорость роста. |
Леонард Эйлер был математиком, который установил универсальную константу 2,71828... также известную как число Эйлера или e.Допущение: Nt(геометрической совокупности) =Nt(экспоненциальной совокупности).
Следовательно:
N0e = N 0λ
N0отменяется с обеих сторон.
N0e / N 0 = λ
e = λ
Возьмите натуральный логарифм уравнения. Использование натуральных логарифмов вместо логарифмов по основанию 10 или основанию 2 упрощает окончательное уравнение: ln (e) = 1.
rt × ln (e) = t × ln (λ)
| Член | Определение |
|---|---|
| ln | натуральный логарифм - другими словами ln (y) = log e (y) = x = степень (x ), что e необходимо поднять до (e ), чтобы получить ответ y. В этом случае e = e, поэтому ln (e) = 1 . |
rt × 1 = t × ln (λ)
rt = t × ln (λ)
tсокращается с обеих сторон.
rt / t = ln (λ)
Результаты:
r = ln (λ)
и
e = λ
Важным понятием в популяционной экологии является теория r / K selection. Первая переменная - это r (внутренняя скорость естественного прироста численности населения, не зависящая от плотности), а вторая переменная - K (вместимость популяции, зависит от плотности). R-выбранный вид (например, многие виды насекомых, такие как тля) - это тот вид, который имеет высокий уровень плодовитости, низкий уровень родительского вклада в молодь и высокий уровень смертности до того, как особи достигнут зрелости. Эволюция способствует продуктивности r-отобранных видов. Напротив, K-отобранные виды (например, люди) имеют низкие показатели плодовитости, высокий уровень родительского вклада в молодь и низкие показатели смертности по мере взросления особей. Эволюция K-отобранных видов способствует эффективности преобразования большего количества ресурсов в меньшее количество потомков.
Популяции также изучаются и концептуализируются с помощью «метапопуляции "концепция. Концепция метапопуляции была введена в 1969 г.:
«как популяция популяций, которые вымирают на местном уровне и повторно заселяются».
Экология метапопуляции - это упрощенная модель ландшафта, разбитая на участки разного уровня качества. Патчи либо заняты, либо нет. Мигранты, перемещающиеся между пятнами, структурируются в метапопуляции либо как источники, либо как приемники. Исходные участки - это продуктивные участки, которые создают сезонную приток мигрантов в другие участки. Раковины - это непродуктивные сайты, которые принимают только мигрантов. В терминологии метапопуляции есть эмигранты (люди, покидающие участок) и иммигранты (особи, которые переходят в участок). Модели метапопуляции исследуют динамику участков во времени, чтобы ответить на вопросы о пространственной и демографической экологии. Важным понятием в экологии метапопуляции является эффект спасения, когда небольшие участки более низкого качества (то есть погружения) поддерживаются сезонным притоком новых иммигрантов. Структура метапопуляции меняется из года в год, при этом некоторые участки являются стоками, например, в засушливые годы, и становятся источниками при более благоприятных условиях. Экологи используют смесь компьютерных моделей и полевых исследований для объяснения структуры метапопуляции.
Более старый термин, аутэкология (от греч. Αὐτο, авто, «самость»; οίκος, oikos, " домашнее хозяйство »; и λόγος, логос,« знание »), относится примерно к той же области исследования, что и популяционная экология. Он основан на разделении экологии на аутэкологию - изучение отдельных видов по отношению к окружающей среде - и синэкологию - изучение групп организмов по отношению к окружающей среде - или экологию сообщества. Одум (1959, стр. 8) считал, что синэкологию следует разделить на популяционную экологию, экологию сообщества и экологию экосистемы, определяя аутэкологию, по сути, как «экологию видов». Однако в течение некоторого времени биологи признали, что более значительным уровнем организации вида является популяция, потому что на этом уровне генофонд вида наиболее согласован. Фактически, Одум считал «аутэкологию» более не «нынешней тенденцией» в экологии (т. Е. Архаичным термином), хотя включал «экологию видов» - исследования, подчеркивающие жизненный цикл и поведение как адаптации к окружающей среде. отдельных организмов или видов - как одно из четырех подразделений экологии.
Первая публикация журнала Общества популяционной экологии под названием «Популяционная экология» (первоначально называвшаяся «Исследования популяционной экологии») была выпущена в 1952 году.
Научные статьи о народонаселении экологию можно также найти в Journal of Animal Ecology, Oikos и других журналах.
