Популационната екология е подразделението на екологията, което се занимава с динамиката на популациите на видовете и как тези популации взаимодействат с околната среда. Това е изследване на това как размерите на популацията на видовете се променят във времето и пространството. Терминът често се използва взаимозаменяемо с популационната биология или динамиката на популацията. Той също така често описва видовете борба за съществуване. Поради естествения подбор, броят на индивидите, които са максимално адаптирани, се увеличава.
В биологията популация е степента на разпространение на определен вид или определен брой негови представители, живеещи в една област.
История
Как започна всичко? Развитието на популационната екология до голяма степен е свързано с демографията и текущите таблици на живота. Този раздел е много важен при текущите условия на околната среда.
Екологията на населението е важна в природозащитната биология, особено когаторазработване на анализ на жизнеспособността на популацията (PVA), който предвижда дългосрочната вероятност вид да остане в дадено местообитание. Въпреки че тази екология е подвид на биологията, тя поставя интересни проблеми за математиците и статистиците, които работят в областта на динамиката на населението. В биологията популацията е един от централните термини.
Модели
Като всяка наука, екологията използва модели. Опростените модели на промяна на населението обикновено започват с четири ключови променливи (четири демографски процеса), включително смърт, раждане, имиграция и емиграция. Математическите модели, използвани за изчисляване на промените в демографската ситуация и еволюцията на населението, предполагат липсата на външно влияние. Моделите могат да бъдат по-сложни математически, когато „…няколко конкуриращи се хипотези се сблъскват с данните едновременно.“
Всеки модел на развитие на населението може да се използва за математически извеждане на определени свойства на геометричните популации. Популация с геометрично нарастващ размер е популация, в която поколенията за размножаване не се припокриват. Във всяко поколение има ефективен размер на популацията (и територия), обозначен като Ne, което е броят на индивидите в популацията, които могат и ще се размножават във всяко репродуктивно поколение. Какво предизвиква безпокойство.
Теория на селекцията r/K
Важна концепция в популационната екология е теорията за r/K селекция. Първата променлива е r (вътрешен процент на естествен прирастразмер на популацията, той не зависи от плътността), а втората променлива е K (капацитет на населението, зависи от плътността). Вътревидовите взаимоотношения играят определена роля в това.
R-избран вид (напр. много видове насекоми като листни въшки) е този, който има висока плодовитост, ниски родителски инвестиции в младите и високи нива на смъртност, преди индивидите да достигнат зрялост. Еволюцията насърчава продуктивността при r-селектирани видове. За разлика от тях, K-селектираните видове (като хората) имат ниски нива на плодовитост, високи нива на родителски инвестиции в млада възраст и ниски нива на смъртност, когато индивидите зреят.
Еволюцията в K-селектираните видове насърчава ефективността при превръщането на повече ресурси в по-малко потомство. В резултат на непродуктивни междувидови взаимоотношения тези потомци могат да изчезнат, превръщайки се в последните представители на тяхната популация.
История на теорията
Терминологията за r/K-селекция е измислена от еколозите Робърт Макартър и Е. О. Уилсън през 1967 г. въз основа на тяхната работа върху островната биогеография. Тази теория дава възможност да се идентифицират причините за колебанията на населението.
Теорията е популярна през 1970-те и 1980-те, когато е била използвана като евристично средство, но изпадна в немилост в началото на 1990-те, когато е критикувана от няколко емпирични изследвания. Парадигмата на историята на живота замени парадигмата за избор на r/K, но продължава да включва много от нейните важни теми. Жаждата за възпроизвеждане е основнатадвижещата сила на еволюцията, така че тази теория е изключително полезна за нейното изследване.
По този начин, r-селектираните видове са тези, които наблягат на високи темпове на растеж, склонни да използват по-малко пренаселени екологични ниши и произвеждат много потомство, всяко от които има относително ниска вероятност да оцелее до зряла възраст (т.е. висок r, нисък К). Типичен вид r е глухарчето (род Taraxacum).
В нестабилна или непредвидима среда преобладава r-селекция поради способността за бързо размножаване. Има малко предимство в адаптациите, които му позволяват да се конкурира успешно с други организми, тъй като околната среда вероятно ще се промени отново. Чертите, за които се смята, че характеризират r-селекция, включват: висока плодовитост, малък размер на тялото, ранно начало на зрялост, кратко време на поколение и способност за широко разпръскване на потомството.
Организми, чиято жизнена история е подложена на r-селекция, често се наричат r-стратези. Организмите, които проявяват r-избрани черти, могат да варират от бактерии и диатомеи до насекоми и треви, както и различни главоноги със седем дяла и дребни бозайници, особено гризачи. Диференциалната теория K има непряка връзка с естествения подбор на животните.
Избор на видове
K-избрани видове проявяват черти, свързани с живот в гъстота, близка до носещата способност и са склонни да бъдат силни конкуренти в претъпкани ниши, които инвестират повече в по-малкоброят на потомството. Всеки от тях има относително висока вероятност да оцелее до зряла възраст (т.е. ниско r, високо k). В научната литература r-селектираните видове понякога се наричат "опортюнистични", докато K-избраните видове се описват като "равновесни".
При стабилни или предвидими условия K-селекцията преобладава, тъй като способността за успешна конкуренция за ограничени ресурси е критична, а популациите на K-селектирани организми обикновено са много постоянни по брой и близки до максимума, който околната среда може поддържа. За разлика от r-selected, където размерът на популацията може да се промени много по-бързо. Ниските числа водят до кръвосмешение, което е една от причините за мутации.
Характеристики
Чертите, за които се смята, че са характерни за K-селекция, включват голям размер на тялото, дълъг живот и производство на по-малко потомство, които често изискват внимателна родителска грижа, докато не станат зрели. Организмите, чиято жизнена история е K-селектирана, често се наричат K-стратези или K-избрани. Организмите с K-избрани черти включват големи организми като слонове, хора и китове, както и по-малки, по-дълго живеещи организми като арктически рибарки, папагали и орли. Увеличаването на населението е една от борбите за съществуване.
Класификация на организмите
Въпреки че някои организми се идентифицират предимно като r- или K-стратези, повечето организми не следват този модел. Например дърветата имат черти катодълголетие и висока конкурентоспособност, които ги характеризират като K-стратези. Въпреки това, когато се размножават, дърветата обикновено произвеждат хиляди потомци и ги разпръскват широко, което е типично за r-стратезите.
По същия начин влечуги като морските костенурки имат както r-, така и k-характеристики: въпреки че морските костенурки са големи организми с дълъг живот (при условие че достигнат зряла възраст), те произвеждат голям брой незабелязано потомство.
Други изрази
Дихотомията r/K може да бъде преизразена като непрекъснат спектър, използвайки икономическата концепция за намалена бъдеща възвръщаемост с r-избор, съответстващ на големи проценти на отстъпка и K-избор, съответстващ на малки проценти на отстъпка.
В райони със сериозни смущения в околната среда или стерилизация (напр. след голямо вулканично изригване, като Кракатау или планината Сейнт Хелънс), r- и K-стратезите играят различни роли в екологичната последователност, която възстановява екосистемата. Поради по-високите си репродуктивни нива и екологичния опортюнизъм, основните колонизатори са склонни да бъдат стратези и са последвани от поредица от нарастваща конкуренция между растителния и животинския живот. Способността на околната среда да увеличава енергийното съдържание чрез фотосинтетично улавяне на слънчева енергия се увеличава с увеличаване на сложното биоразнообразие, тъй като r-видовете се размножават до максимално възможната сизползване на стратегии K.
Ново равновесие
В крайна сметка възниква ново равновесие (понякога наричано кулминационна общност), тъй като r-стратезите постепенно се заменят от K-стратезите, които са по-конкурентни и по-добре адаптирани към възникващите промени в микроекологичния ландшафт. Традиционно се смяташе, че биоразнообразието е максимално увеличено на този етап с въвеждането на нови видове, което води до заместване и местно изчезване на ендемични видове. Въпреки това, хипотезата за междинни смущения гласи, че междинните нива на смущения в ландшафта създават петна на различни нива на последователност, улеснявайки съвместното съществуване на колонизатори и конкуренти в регионален мащаб.
Въпреки че обикновено се прилага на ниво вид, теорията за r/K селекцията е полезна и за изучаване на еволюцията на екологичните и жизнени различия между подвидовете. Например африканската медоносна пчела A. m. scutellata и италианската пчела A. m. ligustica. В другия край на скалата, той също е бил използван за изследване на еволюционната екология на цели групи организми като бактериофагите.
Проучване на мнения
Някои изследователи като Лий Елис, Дж. Филип Ръштън и Аурелио Хосе Фигередо са приложили теорията за r/K селекцията към различни човешки поведения, включително престъпност, сексуален промискуитет, плодовитост и други черти, свързани с теорията за историята на живота. Работата на Ръштън го накара да разработи "диференциалната K теория", за да се опита да обясни многото различия в човешкото поведение в различните географски области. И тази теория е критикувана от много други изследователи. Последният предполага, че еволюцията на човешките възпалителни реакции е свързана с избора на r/K.
Въпреки че теорията за избор на r/K започва да се използва широко през 70-те години на миналия век, тя също получава все по-голямо внимание. По-специално, преглед на еколога Стивън С. Стърнс насочи вниманието към пропуските в теорията и неяснотите в тълкуването на емпирични данни, за да се тества.
Допълнително проучване
През 1981 г., прегледът на Пари от 1981 г. на литературата за r/K селекцията показа, че няма съгласие между изследователите, използващи теорията за дефиниране на r- и K-селекция, което го накара да постави под въпрос предположението за връзка между репродуктивните разходи.функция.
Проучване на Темпълтън и Джонсън през 1982 г. показа, че в популация на Drosophila mercatorum (подвид на мухата), подложена на K-селекция, тя всъщност произвежда по-висока честота на черти, обикновено свързани с r-селекция. Няколко други проучвания, противоречащи на прогнозите на теорията за r/K селекцията, също бяха публикувани между 1977 и 1994 г.
Когато Стърнс преразглежда състоянието на една теория през 1992 г., той отбелязва, че от 1977 до 1982 г. услугата за търсене на литература BIOSIS е средно 42 цитата на теория годишно, но от 1984 до 1989 г. средният брой е спаднал до 16 на година. и продължи да намалява. Той заключи, че r/K теорията някога е била полезна евристика, която вече не служи на цел в теорията за историята на живота.
Наскоро панархичната теория на адаптивнатаспособностите и устойчивостта, насърчавани от S. S. Holling и Lance Gunderson, възродиха интереса към теорията и я използват като начин за интегриране на социалните системи, икономиката и екологията.
Метапопулационна екология
Метапопулационната екология е опростен модел на ландшафта в зони с различни нива на качество. Мигрантите, движещи се между обекти, са структурирани в метапопулации като източници или потопители. В терминологията на метапопулацията има емигранти (лица, които напускат сайта) и имигранти (лица, които се местят в сайта).
Моделите за метапопулация изследват динамиката на сайта във времето, за да отговорят на въпроси относно пространствената и демографската екология. Важна концепция в екологията на метапопулацията е спасителният ефект, при който малки петна с по-ниско качество (т.е. мивки) се поддържат от сезонен приток на нови имигранти.
Структурата на метапопулацията се развива от година на година, където някои места са потъващи, като сухите години, и стават извори, когато условията са по-благоприятни. Еколозите използват смесица от компютърни модели и полеви проучвания, за да обяснят структурата на метапопулацията. Възрастовата структура на населението е наличието на представители на определени възрасти в една популация.
Автоекология
По-старият термин автоекология (от гръцки: αὐτο, авто, „сам“; οίκος, oikos, „домакинство“и λόγος, logos, „знание“), се отнасяприблизително в същата област на изследване като екологията на населението. То произтича от разделянето на екологията на аутекология - изучаването на отделни видове във връзка с околната среда - и синекология - изучаване на групи организми във връзка с околната среда - или екология на общността. Одум (американски биолог) вярва, че синекологията трябва да бъде разделена на популационна екология, общностна екология и екология на екосистемите, определяйки автоекологията като „екология на видовете“.
Въпреки това, от известно време биолозите признават, че по-голямото ниво на организация на даден вид е популацията, тъй като на това ниво генетичният фонд на вида е най-последователен. Всъщност Одум разглежда "автоекологията" като "актуална тенденция" в екологията (т.е. архаичен термин), въпреки че включва "видовата екология" като едно от четирите раздела на екологията.
Първата публикация на Population Ecology (първоначално наречена Population Ecology Research) е издадена през 1952 г.
Изследователски статии по екология на населението могат да бъдат намерени и в списания за екология на животните.
Динамика на населението
Динамиката на населението е клон от науките за живота, който изучава размера и възрастовия състав на популациите като динамични системи и биологичните и екологичните процеси, които ги движат (например, раждаемост и смъртност, имиграция и емиграция). Примери за сценарии са застаряване на населението, растеж или свиване.
Експоненциалният растеж описва нерегулирано възпроизвеждане. Това е много необичайно да се види в природата. Ръстът на населението е експоненциален през последните 100 години.
Томас Малтус вярва, че нарастването на населението ще доведе до пренаселение и глад поради липса на ресурси, включително храна. В бъдеще хората няма да могат да хранят голямо население. Биологичното допускане за експоненциален растеж е, че темпът на растеж на глава от населението е постоянен. Растежът не се ограничава до недостиг на ресурси или хищничество.
Динамиката на населението е широко използвана в няколко приложения на теорията на контрола. Използвайки теорията на еволюционните игри, популационните игри се прилагат широко в различни индустриални и ежедневни контексти. Използва се главно в системи с множество входове и изходи (MIMO), въпреки че могат да бъдат адаптирани за използване в системи с един вход и един изход (SISO). Някои примери за приложение са военни кампании, разпределение на ресурси за разпределение на вода, изпращане на разпределени генератори, лабораторни експерименти, проблеми с транспорта, проблеми с комуникацията. Освен това, с адекватна контекстуализация на производствените проблеми, динамиката на населението може да бъде ефективно и лесно за прилагане решение на проблемите с контрола. Многобройни научни изследвания са били и продължават.
Пренаселеност
Пренаселеността възниква, когато популацията на даден вид надвишава капацитета на екологична ниша. Това може да е резултатътувеличаване на раждаемостта (раждаемост), намаляване на смъртността, увеличаване на имиграцията или неустойчив биом и изчерпване на ресурсите. Освен това, това означава, че ако има твърде много хора в едно местообитание, хората ограничават наличните ресурси за оцеляване. Възрастовата структура на населението не играе особена роля.
В дивата природа пренаселеността често води до увеличаване на популациите на хищници. Това има ефект за контролиране на популацията на плячката и гарантира, че тя еволюира в полза на генетични характеристики, които я правят по-малко уязвима за хищници (и хищникът може да еволюира съвместно).
При липса на хищници видовете са обвързани с ресурсите, които могат да намерят в своята среда, но това не контролира непременно свръхпопулацията. Поне в краткосрочен план. Изобилното предлагане на ресурси може да доведе до бум на населението, последван от криза на населението. Гризачи като леминги и полевки имат тези цикли на бърз растеж на популацията и последващ спад. Популациите на зайците снегоходки също се променят драматично циклично, както и един от хищниците, които ги ловуват, рисът. Проследяването на тази тенденция е много по-лесно от идентифицирането на генома на популацията.
