Динамика популяций. Экологические стратегии

1. Тема «Динамика популяций. Экологические стратегии»

Цель:
Изучить динамику численности популяций в разных условиях
окружающей среды и типы ее регуляции.

2.

• Рост популяций у любых видов имеет
общие закономерности. Теоретически
численность любого вида может расти
бесконечно в силу того, что
размножение обычно происходит в
геометрической прогрессии. Число
потомков, которое может оставить
после себя одна особь, носит
название биотический потенциал
вида.

3. Сдерживание роста популяций в природе происходит в результате действия целого ряда факторов. Их делят на две принципиально

различные
категории:
модификаторы
и
регуляторы.
Факторы-модификаторы воздействуют на численность популяции
односторонне, сами не испытывая никакого влияния с ее стороны. Это
прежде всего – абиотические явления: засухи, проливные дожди,
наводнения,
бури,
низкие
температуры
и
т.п.
Факторы-регуляторы не только влияют на численность популяций, но и
сами изменяют силу своего действия в зависимости от ее плотности. С
падением численности воздействие регуляторов ослабевает, с
возрастанием – усиливается. Возникает так называемая отрицательная
обратная связь, которая способна сдерживать рост популяции. Следует
отметить, что чрезмерный, неконтролируемый, рост численности в
конечном итоге губителен для любого вида, т.к. может полностью
истощить и подорвать ресурсы среды. В эволюции возникло множество
механизмов регулирования размножаемости видов.

4. Факторы регуляторы в природе делятся на две группы: биоценотические и внутривидовые (популяционные).  Биоценотические

Факторы регуляторы в природе делятся на две группы:
биоценотические
и
внутривидовые
(популяционные).
Биоценотические регуляторы численности отдельных
популяций – это враги: хищники, паразиты, возбудители болезней,
а также конкуренты из числа других видов. С увеличением
плотности популяций сила их действия возрастает, а при низкой
плотности – ослабевает. Хищники переключаются на более
доступную добычу, а распространение паразитов от одного
хозяина к другому затрудняется. Пресс врагов и конкурентов –
мощные силы сдерживания роста популяций. Например, при
плодовитости взрослой трески до 10 млн икринок за один нерест
до взрослого состояния в лучшем случае доживают одна или
несколько особей. Меньшая часть икринок и мальков гибнет под
влиянием абиотических факторов, а бoльшая – поедается разного
рода фильтраторами, мелкими и крупными хищниками. Паразиты
присутствуют в популяциях рыб в большом количестве и
разнообразии, снижая их плодовитость и выживаемость.

5. Внутривидовые (популяционные) механизмы регуляции имеются практически у всех видов, они действуют наряду с биоценотическими,

Внутривидовые
(популяционные)
механизмы
регуляции имеются практически у всех видов, они действуют
наряду с биоценотическими, межвидовыми и выступают на первый
план у тех видов, у которых в природе мало естественных врагов.
Они поддерживают гомеостаз – примерное постоянство
численности
популяций,
препятствуя
ее
(численности)
чрезмерному увеличению. Разные по экологии и биологии виды
сильно
различаются
по
способам
саморегуляции.
Как биоценотические, так и популяционные механизмы регуляции
при повышении плотности популяции могут включаться быстро, но
могут и запаздывать, проявляя инерцию. Например, размножение
хищников вслед за размножением жертв – всегда запаздывающий
процесс. Изменение плодовитости также сказывается на
численности популяции не сразу, а только в следующем
поколении. Поэтому, несмотря на многочисленные регуляторные
связи, популяции на некоторый период могут выходить из-под
действия регуляторных механизмов – тогда происходят вспышки
численности. На эту динамику накладывается также влияние
односторонне действующих, модифицирующих факторов. Поэтому
численность популяций всегда варьирует, более или менее
отклоняясь от средней.

6.

7. При стабильном виды находятся под влиянием эффективных регуляторов, и колебания численности не превышают нескольких крат. При

нестабильном изменчивом размах
колебаний выше – на порядок величин, но преобладают
безынерционные (мгновенно реагирующие на внешние
воздействия) регуляторные механизмы, быстро снижающие
повышенную плотность населения. Взрывной
ход
численности характерен для видов, у которых регуляторные
механизмы обладают запаздывающим действием. Размах
колебаний численности может при этом достигать двух, а
иногда и трех порядков величин (лемминги, сибирский и
непарный шелкопряды, луговой мотылек и др.).

8.

Территория, занимаемая популяцией, содержит ресурсы для жизни.
Количество ресурсов, способных поддержать максимально
возможную в данных условиях плотность популяции, носит
название емкость среды.
Полнота использования ресурсов зависит не только от численности,
но и от размещения особей в пространстве. В ходе эволюции у видов
выработались разные способы освоения территории, позволяющие
поддерживать на ней определенную численность, не создавая угрозы
перенаселения. Пространственная структура популяции создается за
счет взаимодействия членов популяции, их реакции друг на друга при
освоении среды.
Например, численность медведей в Южно-Камчатском заказнике
стабильно высокая и она регулируется естественным путем, без
вмешательства человека. Это эталонная экосистема. Звери питаются
природными кормами – рыбой, орехами, ягодами, травами. Как
только животных становится больше, чем позволяет ёмкость среды
обитания, регуляция плотности населения происходит не только
путём расселения молодых особей, но и за счёт каннибализма и
неучастия многих взрослых самок в размножении.

9.

Экологическая стратегия
комплекс признаков, приспособлений для
выживания, общая характеристика роста и
размножения данного вида.
Два крайних типа r- и К-стратегии.
(K- поддерживающая емкость среды,
r- врожденная скорость роста популяции)

10. Сравнивая виды с разными стратегиями, обычно выбирают следующие признаки: -масса тела, -длительность индивидуальной жизни,

-время появления у самок первого потомства,
-размер участка обитания,
-разовая плодовитость,
-частота рождений,
-плотность населения,
-динамика численности,
-миграции,
- период заботы о потомстве.

11.

К-стратеги
медленно развиваются, имеют более крупные размеры и большую
продолжительность жизни, образуют небольшое число более крупных,
хорошо защищенных потомков. Обитают в средах со стабильными или
закономерно изменяющимися условиями.
Например, бурый медведь. Масса тела типичного взрослого самца
принимается равной 140 кг, а типичной медведицы – 100. Средняя масса
типичного взрослого медведя независимо от пола приравнивается 120 кг.
Предельный возраст отдельных особей в популяциях бурого медведя может
достигать 30 (в исключительных случаях – 39) лет.
Индивидуальный участок обитания медведя составляет 25 кв. км.
• Разовая плодовитость у медведя составляет 2 медвежонка, частота
рождений – 1 раз в два года.
• За 10 лет своей жизни одна бурая медведица пополнит популяцию в
среднем пятью медвежатами, которые смогут начать самостоятельную
жизнь.

12.

r-стратеги
быстро достигают половой зрелости, приносят большое количество мелких
потомков,
имеют небольшие размеры и малую продолжительность жизни.
•Например, обыкновенная бурозубка. Масса тела всего 7 г.
•Продолжительность жизни в лабораторных условиях 400 дней.
•Индивидуальный участок бурозубки составляет в среднем 300 кв.м.
•Разовая плодовитость бурозубки составляет 7 особей, частота рождений – 23- помета в сезон. Некоторые самки созревают в год рождения. Таким
образом, численность в сезон увеличивается в 5 – 10 раз.
•от одной самки бурозубки за 10 лет появится 175 потомков. Репродуктивный
потенциал обыкновенной бурозубки (в идеализированной популяции со
стабильной численностью) примерно в 35 раз превышает таковой бурого
медведя.

13.

Кривые выживания
I.
Смертность одинаковая, не
зависит от возраста (К-стратеги,
насекомые).
II. Смертность мала вплоть до
достижения критического
возраста (К-стратеги, человек,
рыбы, пресмыкающиеся, птицы,
однолетние растения).
III. Повышенная гибель на ранних
стадиях развития (R-стратеги,
морские организмы, насекомые,
гидры, большинство растений)

14.

Типы роста численности
А
Поддерживающая емкость среды
Дрожжи
N t = N0 e r t
B
Дафнии
N t = К N0/ N0+(К- N0) e -( r t)
В начале кривая роста популяции–
это экспонента.
Затем питательные запасы в
окружающей среде А
исчерпываются, и кривая
приобретает S-образную форму
(логистическая кривая).
Бесконтрольный рост численности
заходит слишком далеко по
экспоненте, после чего
происходит катастрофический
«обвал» численности, связанный
с истощением ресурсов (Jобразная форма). B

15. Антропогенное воздействие на типы роста.

Чарлз Элтон
«Экологическое
нашествие»

16.

Почему рост численности популяций никогда не бывает
бесконечным?
•Безграничный рост губителен для любого вида, так как
приводит к подрыву его жизнеобеспечения→
•При увеличении численности популяции включаются
регуляторные системы природного сообщества – хищники,
паразиты, возбудители инфекционных заболеваний→
•При еще более высокой плотности вступает в силу
внутривидовая конкуренция →
•Вся эволюция видов шла в таком направлении, что
выработались механизмы реакции на собственную
плотность. Таким образом, на пути увеличения численности
вида возникает множество последовательных преград,
образующих надежную систему регуляции →
•Поэтому, хотя в природе миллионы видов, большинство из
них не дает вспышек массового размножения.

17.

Модели развития популяций
модель неограниченного роста (теоретическая);
модель ограниченного роста (практическая);
модель ограниченного роста с отловом;
модель «хищник – жертва» (взаимодействия с другими
популяциями).
Саранча
Самоизреживание
Волки и лоси
Вредители
сельскохозяйственные
Сибирский шелкопряд
Антилопы
Корюшка

18. Динамика роста популяции

N t = N t-1 + B – D + C – E
N t – число особей в момент t,
N t-1- число особей в предыдущий момент,
B- число родившихся,
D- число погибших,
C- число иммигрантов,
E- число эмигрантов

19. Закон Мальтуса (А) Модель неограниченного роста

N t = N0 e r t
N0 – исходная численность
N t – численность во время t
е - основание натуральных
логарифмов
r – врожденная скорость
роста
(если рост 5%, то r = 1,05)
Число e (или, как его еще называют,
число Эйлера) – это основание
натурального логарифма;
математическая константа
e = 2.718281828459…

20. Модель Ферхюльста. Модель ограниченного роста.

Nt=
35
N0 K
30
25
N0+ (K - N0) e
- (r t)
20
15
10
5
0
K- поддерживающая емкость среды,
N0 – исходная численность,
N t – численность во время t,
е - основание натуральных логарифмов,
r – врожденная скорость роста
(если рост 5%, то r = 1,05).
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49

21. Модель ограниченного роста с отловом

N t = (r – b N0) N0- c,
с – величина ежегодного отлова,
r – коэффициент роста,
b – коэффициент перенаселённости,
N0– численность популяции текущего
года, исходная,
N t– численность популяции
следующего года, во время t.
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

22.

Модель «хищник – жертва»
N t = (r - b x n ) x n - с – f x n yn,
r – коэффициент роста,
b – коэффициент перенаселённости,
f - возможность гибели жертвы при встрече с
хищником,
x n – количество жертв,
yn – количество хищников.
Модель "хищник- жертва"
70
60
Название оси
50
40
жертва
30
хищник
20
10
0
-10
1
4
7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49

23.

Графики изменения численности популяций
Модель неограниченного роста
Модель ограниченного роста с
отловом
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
2
3
4
5
6
7
8
35
70
30
60
25
50
40
15
30
10
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49
11
хищник
20
0
10
жертва
10
5
9
Модель "хищник- жертва"
Модель ограниченного роста
20
1
0
-10
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49

24.

Математическое и
компьютерное
моделирование даёт
возможность
прогнозирования
развития популяций,
внесения корректив в
изменение численности
популяций, особенно это,
актуально применительно
к исчезающим видам.