Populaatioekologia on ekologian alajako, joka käsittelee lajipopulaatioiden dynamiikkaa ja näiden populaatioiden vuorovaikutusta ympäristön kanssa. Se on tutkimus siitä, kuinka lajien populaatiokoot muuttuvat ajan ja tilan myötä. Termiä käytetään usein vuorotellen populaatiobiologian tai populaatiodynamiikan kanssa. Hän kuvailee myös usein olemassaolotaistelun tyyppejä. Luonnonvalinnan ansiosta maksimaalisesti sopeutuneiden yksilöiden määrä kasvaa.
Biologiassa populaatiolla tarkoitetaan tietyllä alueella elävän tietyn lajin tai tietyn määrän sen edustajia levinneisyysasteella.
Historia
Kuinka kaikki alkoi? Väestönekologian kehitys liittyy suurelta osin demografiaan ja tämänhetkisiin elämäntilanteisiin. Tämä osio on erittäin tärkeä nykyisissä ympäristöolosuhteissa.
Populaatioekologia on tärkeää luonnonsuojelubiologiassa, varsinkin kunpopulaation elinkelpoisuusanalyysin (PVA) kehittäminen, joka ennustaa lajin pitkän aikavälin todennäköisyyden pysyä tietyssä elinympäristössä. Vaikka tämä ekologia on biologian alalaji, se tarjoaa mielenkiintoisia ongelmia matemaatikoille ja tilastotieteilijöille, jotka työskentelevät populaatiodynamiikan alalla. Biologiassa väestö on yksi keskeisistä termeistä.
Malleja
Kuten mikä tahansa tiede, ekologia käyttää malleja. Yksinkertaistetut väestönmuutoksen mallit alkavat yleensä neljällä keskeisellä muuttujalla (neljä demografista prosessia), mukaan lukien kuolema, syntymä, maahanmuutto ja maastamuutto. Väestötilanteen ja väestökehityksen muutosten laskemiseen käytetyt matemaattiset mallit olettavat ulkoisen vaikutuksen puuttumisen. Mallit voivat olla matemaattisesti monimutkaisempia, kun "…useita kilpailevia hypoteeseja törmäävät dataan samanaikaisesti."
Mitä tahansa väestökehityksen mallia voidaan käyttää geometristen populaatioiden tiettyjen ominaisuuksien matemaattiseen johtamiseen. Geometrisesti kasvava populaatio on populaatio, jossa lisääntyvät sukupolvet eivät mene päällekkäin. Jokaisella sukupolvella on tehokas populaation koko (ja alue), jota merkitään Ne, joka on niiden yksilöiden lukumäärä populaatiossa, jotka voivat lisääntyä ja lisääntyvät missä tahansa lisääntymissukupolvessa. Mikä aiheuttaa huolta.
Valintateoria r/K
Tärkeä käsite populaatioekologiassa on r/K-valintateoria. Ensimmäinen muuttuja on r (sisäinen luonnollisen kasvun nopeuspopulaation koko, se ei riipu tiheydestä), ja toinen muuttuja on K (populaation kantokyky, riippuu tiheydestä). Lajinsisäisillä suhteilla on tässä tietty rooli.
R-valitut lajit (esim. monet hyönteislajit, kuten kirvat) ovat sellaisia, joilla on korkea hedelmällisyysaste, alhainen vanhempien panostus nuoriin eläimiin ja korkea kuolleisuus ennen yksilöiden kypsymistä. Evoluutio edistää r-valittujen lajien tuottavuutta. Sitä vastoin K-valikoiduilla lajeilla (kuten ihmisillä) on alhainen hedelmällisyysaste, korkea vanhempien panostus nuorena ja alhainen kuolleisuus yksilöiden kypsyessä.
K-valittujen lajien evoluutio edistää tehokkuutta resurssien muuttamisessa pienemmiksi jälkeläisiksi. Tuottamattomien lajien välisten suhteiden seurauksena nämä jälkeläiset voivat kuolla sukupuuttoon ja heistä tulee populaationsa viimeisiä edustajia.
Teorian historia
R/K-valinnan terminologian loivat ekologit Robert MacArthur ja E. O. Wilson vuonna 1967 saaren biogeografiaa koskevien töidensä perusteella. Tämän teorian avulla on mahdollista tunnistaa väestönvaihteluiden syyt.
Teoria oli suosittu 1970- ja 1980-luvuilla, kun sitä käytettiin heuristisena välineenä, mutta se putosi suosiosta 1990-luvun alussa, kun useat empiiriset tutkimukset kritisoivat sitä. Elämänhistorian paradigma on korvannut r/K-valintaparadigman, mutta sisältää edelleen monia sen tärkeitä teemoja. Lisääntymishimo on tärkeinevoluution liikkeellepaneva voima, joten tämä teoria on erittäin hyödyllinen sen tutkimuksessa.
R-valitut lajit ovat siis niitä, jotka korostavat korkeaa kasvunopeutta, pyrkivät hyödyntämään vähemmän täynnä olevia ekologisia markkinarakoja ja tuottavat monia jälkeläisiä, joista jokaisella on suhteellisen pieni todennäköisyys selviytyä aikuisikään (eli korkea r, matala). K). Tyypillinen r:n laji on voikukka (suku Taraxacum).
Epävakaissa tai arvaamattomissa ympäristöissä r-valinta vallitsee, koska kyky lisääntyä nopeasti. Sopeutumisilla, jotka antavat sille mahdollisuuden kilpailla menestyksekkäästi muiden organismien kanssa, on vain vähän etua, koska ympäristö todennäköisesti muuttuu uudelleen. R-valinnan oletetaan luonnehtivan ominaisuuksia: korkea hedelmällisyys, pieni ruumiinkoko, varhainen kypsyys, lyhyt sukupolviaika ja kyky levittää jälkeläisiä laajasti.
Organismeja, joiden elämänhistoria on läpikäynyt r-valinnan, kutsutaan usein r-strategisteiksi. Organismit, joilla on r-valittuja piirteitä, voivat vaihdella bakteereista ja piileistä hyönteisiin ja ruohoihin sekä erilaisiin seitsenlehtisiin pääjalkaisiin ja pieniin nisäkkäisiin, erityisesti jyrsijöihin. Differentiaaliteorialla K on epäsuora yhteys eläinten luonnolliseen valintaan.
Lajivalikoima
K-valitut lajit osoittavat piirteitä, jotka liittyvät elämiseen lähellä kantokykyä, ja ne ovat yleensä vahvoja kilpailijoita ahtaissa markkinarakoissa, jotka investoivat enemmän vähempään.jälkeläisten määrä. Jokaisella on suhteellisen suuri todennäköisyys selviytyä aikuisuuteen (eli pieni r, korkea k). Tieteellisessä kirjallisuudessa r-valittuja lajeja kutsutaan joskus "opportunistisiksi", kun taas K-valittuja lajeja kuvataan "tasapainoiksi".
Vakaassa tai ennakoitavissa olosuhteissa K-valinta vallitsee, sillä kyky kilpailla menestyksekkäästi rajallisista resursseista on kriittinen ja K-valittujen organismien populaatiot ovat yleensä hyvin vakioita ja lähellä ympäristön mahdollistamaa maksimia. tuki. Toisin kuin r-selected, jossa populaation koko voi muuttua paljon nopeammin. Pienet määrät johtavat insestiin, joka on yksi mutaatioiden syistä.
Ominaisuudet
K-valinnan ominaispiirteitä ovat suuri ruumiinkoko, pitkä elinikä ja vähemmän jälkeläisiä, jotka vaativat usein huolellista vanhempien huolenpitoa kypsymiseen asti. Organismeja, joiden elämänhistoria on K-valittu, kutsutaan usein K-strategeiksi tai K-valituiksi. Organismeja, joilla on K-valittuja ominaisuuksia, ovat suuret organismit, kuten norsut, ihmiset ja valaat, sekä pienemmät, pidempään elävät organismit, kuten tiira, papukaijat ja kotkat. Väestönkasvu on yksi olemassaolotaisteluista.
Eliöiden luokitus
Vaikka jotkut organismit tunnistetaan ensisijaisesti r- tai K-strategisteiksi, useimmat organismit eivät noudata tätä mallia. Esimerkiksi puilla on ominaisuuksia, kutenpitkäikäisyys ja korkea kilpailukyky, jotka luonnehtivat heitä K-strategeina. Pesiessään puut kuitenkin yleensä tuottavat tuhansia jälkeläisiä ja levittävät ne laajalle, mikä on tyypillistä r-strategeille.
Samaan tapaan matelijoilla, kuten merikilpikonnalla, on sekä r- että k-ominaisuudet: vaikka merikilpikonnat ovat suuria organismeja, joilla on pitkä elinikä (edellyttäen, että ne saavuttavat aikuisuuden), ne tuottavat suuren määrän huomaamattomia jälkeläisiä.
Muut ilmaisut
R/K-dikotomia voidaan ilmaista uudelleen jatkuvana spektrinä käyttämällä taloudellista käsitettä diskontattu tulevaisuuden tuotto, jossa r-valinta vastaa suuria diskonttokorkoja ja K-valinta vastaa pieniä diskonttokorkoja.
Aluilla, joilla ympäristö on vakavasti häiriintynyt tai steriloitu (esim. suuren tulivuorenpurkauksen jälkeen, kuten Krakatoa tai Mount St. Helens), r- ja K-strategeilla on eri rooleja ekologisessa sekvenssissä, joka palauttaa ekosysteemin. Korkeamman lisääntymisnopeutensa ja ekologisen opportunisminsa vuoksi ensisijaiset kolonisaattorit ovat yleensä strategeja, ja heitä seuraa kasvava kilpailu kasvien ja eläinten välillä. Ympäristön kyky lisätä energiasisältöä aurinkoenergian fotosynteettisellä t alteenotolla lisääntyy monimutkaisen biologisen monimuotoisuuden lisääntyessä, kun r-lajit lisääntyvät mahdollisimman paljonkäyttämällä strategioita K.
Uusi tasapaino
Loppujen lopuksi syntyy uusi tasapaino (jota joskus kutsutaan huipentuvaksi yhteisöksi), kun r-strategit korvataan vähitellen K-strategeilla, jotka ovat kilpailukykyisempiä ja paremmin sopeutuneet esiin nouseviin mikroekologisiin maiseman muutoksiin. Perinteisesti biologista monimuotoisuutta pidettiin tässä vaiheessa maksimoituna uusien lajien käyttöönoton myötä, mikä johti endeemisten lajien korvautumiseen ja paikalliseen sukupuuttoon. Keskitason häiriöhypoteesi kuitenkin väittää, että keskitason häiriötasot maisemaan luovat eri tasoilla olevia peräkkäisyyksiä, mikä helpottaa kolonisaattoreiden ja kilpailijoiden rinnakkaiseloa alueellisessa mittakaavassa.
Vaikka r/K-valintateoriaa käytetään yleisesti lajitasolla, se on hyödyllinen myös alalajien välisten ekologisten ja elävien erojen kehityksen tutkimisessa. Esimerkiksi afrikkalainen mehiläinen A. m. scutellata ja italialainen mehiläinen A. m. ligustica. Asteikon toisessa päässä sitä on myös käytetty kokonaisten organismiryhmien, kuten bakteriofagien, evoluutioekologian tutkimiseen.
Tutkimuslausunnot
Jotkut tutkijat, kuten Lee Ellis, J. Philip Rushton ja Aurelio Jose Figueredo, ovat soveltaneet r/K-valintateoriaa erilaisiin ihmiskäyttäytymiseen, mukaan lukien rikollisuuteen, seksuaaliseen epävakaisuuteen, hedelmällisyyteen ja muihin elämänhistorian teoriaan liittyviin piirteisiin. Rushtonin työ sai hänet kehittämään "differentiaalisen K-teorian" yrittääkseen selittää monia eroja ihmisten käyttäytymisessä eri maantieteellisillä alueilla. Ja monet muut tutkijat ovat arvostelleet tätä teoriaa. Jälkimmäinen ehdotti, että ihmisen tulehdusvasteiden kehitys liittyy r/K:n valintaan.
Vaikka r/K-valintateoriaa alettiin käyttää laaj alti 1970-luvulla, se on myös saanut yhä enemmän huomiota. Erityisesti ekologi Stephen S. Stearnsin katsaus kiinnitti huomiota teorian aukkoihin ja epäselvyyksiin empiiristen tietojen tulkinnassa sen testaamiseksi.
Lisätutkimus
Vuonna 1981, Parryn vuoden 1981 katsaus r/K-valintaa koskevasta kirjallisuudesta osoitti, että r- ja K-valinnan määrittelyteoriaa käyttävien tutkijoiden välillä ei ollut yhteisymmärrystä, minkä vuoksi hän kyseenalaisti oletuksen lisääntymiskyvyn välisestä suhteesta. kustannukset. toiminto.
Templetonin ja Johnsonin vuonna 1982 tekemä tutkimus osoitti, että Drosophila mercatorum (kärpäsen alalaji) populaatiossa, jolle tehtiin K-selektio, se itse asiassa tuottaa enemmän ominaisuuksia, jotka tyypillisesti liittyvät r-valintaan. Myös useita muita tutkimuksia, jotka ovat ristiriidassa r/K-valintateorian ennusteiden kanssa, julkaistiin vuosina 1977-1994.
Kun Stearns arvioi teorian asemaa vuonna 1992, hän huomautti, että BIOSIS-kirjallisuuden hakupalvelussa oli vuosina 1977–1982 keskimäärin 42 teoriaviittausta vuodessa, mutta vuosina 1984–1989 keskiarvo laski 16:een vuodessa. ja jatkoi laskuaan. Hän päätteli, että r/K-teoria oli kerran hyödyllinen heuristiikka, joka ei enää palvele elämänhistorian teoriassa.
Viimeksi panarkia-teoria mukautuvastaS. S. Hollingin ja Lance Gundersonin edistämät kyvyt ja joustavuus ovat herättäneet kiinnostuksen teoriaa kohtaan ja käyttävät sitä keinona integroida sosiaaliset järjestelmät, taloustiede ja ekologia.
Metapopulaatioekologia
Metapopulaatioekologia on yksinkertaistettu malli maisemasta eri laatutasoisiksi alueiksi. Kohteiden välillä liikkuvat siirtolaiset rakentuvat metapopulaatioiksi lähteiksi tai nieluiksi. Metapopulaatioterminologiassa on siirtolaisia (henkilöitä, jotka lähtevät paik alta) ja maahanmuuttajia (henkilöitä, jotka muuttavat alueelle).
Metapopulaatiomallit tarkastelevat sivuston dynamiikkaa ajan mittaan vastatakseen tila- ja väestöekologiaa koskeviin kysymyksiin. Tärkeä käsite metapopulaatioekologiassa on pelastusvaikutus, jossa kausiluonteinen uusien maahanmuuttajien tulva ylläpitää pieniä huonolaatuisempia laikkuja (eli nieluja).
Metapopulaation rakenne kehittyy vuodesta toiseen, jossa jotkut paikat ovat nieluja, kuten kuivat vuodet, ja muuttuvat lähteiksi, kun olosuhteet ovat suotuisammat. Ekologit käyttävät yhdistelmää tietokonemalleja ja kenttätutkimuksia selittääkseen metapopulaatiorakenteen. Väestön ikärakenne on tietyn ikäisten edustajien läsnäolo väestössä.
Autoekologia
Vanhempi termi autoekologia (kreikaksi: αὐτο, auto, "itse"; οίκος, oikos, "kotitalous" ja λόγος, logos, "tieto") viittaasuunnilleen samalla tutkimusalalla kuin väestöekologia. Se johtuu ekologian jaosta autekologiaan - yksittäisten lajien tutkimukseen suhteessa ympäristöön - ja synekologiaan - eliöryhmien tutkimukseen suhteessa ympäristöön - tai yhteisön ekologiaan. Odum (yhdysv altalainen biologi) uskoi, että synekologia pitäisi jakaa populaatioekologiaan, yhteisön ekologiaan ja ekosysteemiekologiaan ja määrittelee autoekologian "lajiekologiaksi".
Biologit ovat kuitenkin jo jonkin aikaa tunnustaneet, että lajin suurempi organisoitumistaso on populaatio, koska tällä tasolla lajin geenipooli on johdonmukaisin. Itse asiassa Odum piti "autoekologiaa" ekologian "nykyisenä suuntauksena" (eli arkaaisena terminä), vaikka hän sisällytti "lajiekologian" yhdeksi neljästä ekologian jaosta.
Population Ecologyn ensimmäinen julkaisu (alunperin nimeltään Population Ecology Research) julkaistiin vuonna 1952.
Populaatioekologiaa koskevia tutkimuspapereita löytyy myös eläinekologialehdistä.
Väestödynamiikka
Väestödynamiikka on biotieteiden osa, joka tutkii populaatioiden kokoa ja ikäkoostumusta dynaamisina järjestelminä sekä niitä ohjaavia biologisia ja ympäristöprosesseja (esimerkiksi syntyvyyttä ja kuolleisuutta sekä maahanmuuttoa ja maastamuuttoa). Esimerkkejä skenaarioista ovat väestön ikääntyminen, kasvu tai supistuminen.
Eksponentiaalinen kasvu kuvaa säätelemätöntä lisääntymistä. Tämä on hyvin epätavallista nähdä luonnossa. Väestönkasvu on ollut eksponentiaalista viimeisen 100 vuoden aikana.
Thomas M althus uskoi, että väestönkasvu johtaisi ylikansoittumiseen ja nälkään resurssien, mukaan lukien ruoan, puutteen vuoksi. Tulevaisuudessa ihmiset eivät pysty ruokkimaan suuria populaatioita. Eksponentiaalisen kasvun biologinen oletus on, että asukasta kohti laskettu kasvu on vakio. Kasvu ei rajoitu resurssien niukkuuteen tai saalistukseen.
Populaatiodynamiikkaa on käytetty laajasti useissa ohjausteorian sovelluksissa. Evoluutiopeliteorian avulla väestöpelejä sovelletaan laajasti erilaisissa teollisissa ja arkipäivän yhteyksissä. Käytetään pääasiassa monitulo- ja monilähtöjärjestelmissä (MIMO), vaikka ne voidaan mukauttaa käytettäväksi yhden tulon ja yhden lähdön (SISO) järjestelmissä. Joitakin sovellusesimerkkejä ovat sotilaalliset kampanjat, resurssien jakaminen veden jakeluun, hajautettujen generaattoreiden lähettäminen, laboratoriokokeet, kuljetusongelmat, viestintäongelmat. Lisäksi tuotantoongelmien riittävällä kontekstualisoinnilla populaatiodynamiikka voi olla tehokas ja helposti sovellettava ratkaisu ongelmien hallintaan. Lukuisia tieteellisiä tutkimuksia on tehty ja ollaan meneillään.
Liikakansoitus
Liikakansoitus tapahtuu, kun lajin kanta ylittää ekologisen markkinaraon kantokyvyn. Tämä voi olla tulossyntyvyyden nousu (hedelmällisyysluku), kuolleisuuden lasku, maahanmuuton tai kestämättömän biomin lisääntyminen ja resurssien ehtyminen. Lisäksi tämä tarkoittaa, että jos yhdessä elinympäristössä on liian monta ihmistä, ihmiset rajoittavat käytettävissä olevia resursseja selviytyäkseen. Väestön ikärakenteella ei ole erityistä roolia.
Luonnossa liikakansoitus aiheuttaa usein saalistajapopulaatioiden lisääntymisen. Tällä on vaikutusta saalispopulaation hallintaan ja varmistaa, että se kehittyy sellaisten geneettisten ominaisuuksien hyväksi, jotka tekevät siitä vähemmän haavoittuvan petoeläimille (ja petoeläin voi kehittyä yhdessä).
Petoeläinten puuttuessa lajeja sitovat resurssit, joita ne voivat löytää ympäristöstään, mutta tämä ei välttämättä hallitse ylikansoitusta. Ainakin lyhyellä aikavälillä. Resurssien runsas tarjonta voi johtaa väestöbuumiin, jota seuraa väestökriisi. Jyrsijöillä, kuten lemmingillä ja myyräillä, on nämä nopean populaation kasvun ja sitä seuraavan laskun syklit. Myös lumikenkäjänispopulaatiot muuttuvat dramaattisesti syklisesti, samoin kuin yksi niitä metsästävistä petoeläimistä, ilves. Tämän suuntauksen seuraaminen on paljon helpompaa kuin populaation genomin tunnistaminen.
