2. Понятие о популяции. Что отражают статистические и динамические показатели популяции? Какие экологические причины вызывают саморегуляцию плотности популяции.
Популяция- группа организмов одного вида, проживающая в определенном месте.
Вид- совокупность популяции, представители которых фактически или потенциально скрещиваются и дают полноценное потомство в естественных условиях.
Биоценоз- совокупность взаимосвязанных популяций разных видов живых организмов, которые живут в 1 месте и взаимодействуют друг с другом.
Биогеоценоз - устойчивая система живых и неживых компонентов природы взаимодействующие в пределах одного участка земной поверхности с особым микроклиматом, геологическим строением, почвой и водным режимом.
Статистические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени. К статистическим показателям относятся их численность, плотность и показатели структуры. Численность – это поголовье животных или количество растений, например деревьев, в пределах некоторой пространственной единицы – ареала, бассейна реки, акватории моря, области, района. Плотность – число особей, приходящихся на единицу площади, например, плотность населения – количество человек, приходящееся на один квадратный километр, или для гидробионтов – это количество особей на единицу объема, на литр или кубометр. Показатели структуры: половой – соотношение полов, размерный – соотношение количества особей разных размеров, возрастной - соотношение количества особей различного возраста в популяции. Динамические показатели характеризуют процессы, протекающие в популяции за какой-то промежуток (интервал) времени. Основными динамическими показателями (характеристиками) популяций являются: рождаемость, смертность и скорость роста популяций. Рождаемость, или скорость рождаемости, - это число особей, рождающихся в популяции за единицу времени. При рассмотрении экосистем пользуются другими динамическим показателем – продукцией – суммой прироста массы всех особей (независимо от того, сколько они прожили) из множества популяций биогенного сообщества за определенный промежуток времени. Рождаемость делится на:: Ø абсолютную рождаемость – число особей, появившихся в популяции за единицу времени; Ø удельную рождаемость – выражается в числе родившихся особей на число особей в популяции в единицу времени; Ø максимальную рождаемость – определяется числом самок в популяции и их способностью производить определенное число детенышей в единицу времени; Ø экологическую рождаемость – рождаемость ниже максимальной, т.к. соответствует сложившимся экологическим условиям. Смертность, или скорость смертности, - это число особей, погибших в популяции в единицу времени. Но убыль или прибыль организмов в популяции зависит не только от рождаемости и смертности, но и от скорости их иммиграции и эмиграции, т.е. количества особей, прибывших и убывших в популяции в единицу времени. Увеличение численности, прибыль зависят от количества отрожденных (рожденных за какой-то период времени) и иммигрировавших особей, а уменьшение, убыль численности – от гибели (смертности) и эмиграции особей. Явления иммиграции и эмиграции на численность влияют несущественно, поэтому ими при расчетах можно пренебречь. Рождаемость, или скорость рождаемости, выражают отношением: N n / t. Где N n - число особей, родившихся за некоторый промежуток времени t. Но для сравнения рождаемости в различных популяциях пользуются величиной удельной рождаемости:отношение скорости рождаемости к исходной численности (N): N n / N t. За бесконечно малый промежуток времени ( t 0), мы получим мгновенную удельную рождаемость, которую обозначают латинской буквой «b». Эта величина имеет размерность «единица времени » и зависит от интенсивности размножения особей: ― для бактерий – час; ― для фитопланктона – сутки; ― для насекомых – неделя или месяц; ― для крупных млекопитающих – год. Смертность – величина обратная рождаемости, но измеряется в тех же величинах и вычисляется по аналогичной формуле. Если принять, что N m - число погибших особей за время t, то удельная смертность: N m/ N t, Величины рождаемости и смертности по определению могут иметь только положительное значение либо равное нулю. Скорость изменения численности популяции, т.е. ее чистое увеличение и уменьшение, можно представить и как изменение N за t, а при t 0 можно ее определить как мгновенную скорость изменения численности, которая может быть рассчитана как: r = b – d Анализ уравнения показывает, что если b=d, то r = 0, и популяция находится в стационарном состоянии; если жеb=d, то r может быть величиной положительной (b>d) и мы имеем численный рост популяции, или отрицательный (b<d), что говорит о снижении численности на данном отрезке времени. Эта формула важна как раз для определения смертности, которую трудно измерить непосредственно, а определить r достаточно просто непосредственными наблюдениями, тогда d=b- r.
3. Какие причины вызывают рост численности популяции по экспоненте и по логистической кривой? Проанализируйте экспоненциальный рост населения на нашей планете. По какому уравнению рассчитывают время удвоения численности населения?
Прирост популяции пропорционален численности особей в ней, то есть ΔN~N, где N — численность популяции, а ΔN — ее изменение за определенный период времени. Если этот период бесконечно мал, можно написать, чтоdN/dt=r×N, где dN/dt — изменение численности популяции (прирост), а r — репродуктивный потенциал, переменная, характеризующая способность популяции увеличивать свою численность. Приведенное уравнение называется экспоненциальной моделью роста численности популяции (рис. 4.4.1).
Рис.4.4.1. Экспоненциальный рост
Величину r называют иногда мальтузианским параметром. Английский священник Томас Мальтус был первым, кто обратил внимание на то, что численность населения растет в геометрической прогрессии. Именно знакомство с его работой подтолкнуло и Чарльза Дарвина, и Альфреда Уоллеса к догадке о том, что потомство любых организмов должно «прореживаться» естественным отбором.
Как легко понять, с ростом времени численность популяции растет все быстрее, и достаточно скоро устремляется к бесконечности. Естественно, никакое местообитание не выдержит существования популяции с бесконечной численностью. Тем не менее, существует целый ряд процессов популяционного роста, который в определенном временном промежутке может быть описан с помощью экспоненциальной модели. Речь идет о случаях нелимитированного роста, когда какая-то популяция заселяет среду с избытком свободного ресурса: коровы и лошади заселяют пампу, мучные хрущаки — элеватор с зерном, дрожжи — бутыль виноградного сока и т.д.
Естественно, экспоненциальный рост популяции не может быть вечным. Рано или поздно ресурс исчерпается, и рост популяции затормозится. Каким будет это торможение? Практическая экология знает самые разные варианты: и резкий взлет численности с последующим вымиранием популяции, исчерпавшей свои ресурсы, и постепенное торможение прироста по мере приближения к определенному уровню. Проще всего описать медленное торможение. Простейшая описывающая такую динамику модель называется логистической и предложена (для описания роста численности популяции человека) французским математиком Ферхюльстом еще в 1845 году. В 1925 году аналогичная закономерность была заново открыта американским экологом Р. Перлем, который предположил, что она носит всеобщий характер.
В логистической модели вводится переменнаяK — емкость среды, равновесная численность популяции, при которой она потребляет все имеющиеся ресурсы. Прирост в логистической модели описывается уравнением dN/dt=r×N×(K-N)/K (рис. 4.4.2).
Рис.
4.4.2. Логистический рост
Пока N невелико, на прирост популяции основное влияние оказывает сомножитель r×Nи рост популяции ускоряется. Когда становится достаточно высоким, на численность популяции начинает оказывать основное влияние сомножитель (K-N)/K и рост популяции начинает замедляться. Когда N=K, (K-N)/K=0 и рост численности популяции прекращается.
При всей своей простоте логистическое уравнение удовлетворительно описывает много наблюдаемых в природе случаев и до сих пор с успехом используется в математической экологии.
4. Какие глобальные, социальные, экономические и экологические проблемы возникли в связи с ростом народонаселения?
Экологические проблемы: 1)Озоновые дыры,2) парниковый эффект, 3)стихийные бедствия
Социальные: 1)проблемы со здоровьем 2) проблема образования
3) истощение ресурсов
Экономические: 1)демографическая проблема 2) продовольственная проблема 3)проблема охрана.
Глобальные проблемы: 1) земельные ресурсы 2) вода 3)энерго-сырьевая проблема ) продовольственная проблем
5. Проанализируйте демографические пирамиды в развитых и развивающихся странах. Что может произойти с человеческой популяцией, если ее численность достигнет предельной биологической емкости ( 12 — 15 млрд. человек) ?
Для прогноза численности населения на перспективу большое значение имеет его возрастной состав. Последний обычно графически представляют в виде пирамид. Для развитых стран свойственна колонообразная пирамида. Небольшая доля молодого поколения свидетельствует об общем старении популяции и об отсутствии перспектив роста численности населения. Возрастная пирамида для развивающихся стран сильно расширяется книзу за счет значительной доли поколения, которое находится в детородном или более молодом возрасте. Из чего следует, что демографический взрыв продолжается, а разрыв в численности населения развитых и развивающихся стран будет увеличиваться. Увеличение численности населения в мире не беспредельно. Предполагается, что стабилизация ее начнется после того, как численность населения достигнет 10—12 млрд. человек. Экономист Томас Мальтус предполагал, что человечество встретится с кризисными явлениями в результате нехватки продовольствия. Для уменьшения темпов роста населения Т. Мальтус предлагал узаконить поздние браки. Но достижения науки и практики сегодня, большие возможности для повышения урожаев, свидетельствуют о том, что недостаток продовольствия не станет ограничивающим фактором роста численности населения в ближайшие десятилетия. В настоящее время перед человечеством стоит не проблема голода, а ограниченность ресурсов среды, ее загрязнение. Но это не исключает возможности регулирования рождаемости законодательными актами и другими отдельными мерами.