Ekologia populacji

EKOLOGIA Ekologia populacji

1/48

Populacja – termin różnie rozumiany W demografii (człowieka): ludzie zamieszkujący określony rejon: np. populacja Krakowa, populacja Polski południowej, populacja Polski, populacja Europy itd.  W genetyce: grupa krzyżujących się osobników tego samego gatunku, izolowana od innych grup tego gatunku  W ekologii populacji: grupa osobników tego samego gatunku zamieszkujących ten sam teren 

2/48

Cechy osobnicze vs cechy populacji

Cechy osobnicze: -rozmiar -wiek -stadium rozwojowe -płeć -behawior

Cechy populacji: -liczebność, zagęszczenie -struktura wiekowa -stosunek płci -rozmieszczenie przestrzenne

3/48

Procesy osobnicze i na poziomie populacji

Procesy osobnicze: -wzrost -rozwój -odżywianie -reprodukcja -śmierć

Procesy w populacji: - wzrost liczebności lub (i) zagęszczenia - zmiany struktury wiekowej - rozrodczość - śmiertelność

4/48

Metapopulacja – populacja – subpopulacja W rzeczywistości organizmy na ogół nie żyją w ściśle izolowanych grupach:  między lokalnymi populacjami następuje wymiana osobników (i przepływ genów)  metapopulacja  w obrębie populacji można często wyodrębnić odmienne genetycznie grupy osobników  subpopulacje  Populacje „źródłowe” i „ujściowe” 

5/48

Funkcjonowanie metapopulacji bd bd

bd b 1  liczebność populacji rośnie

22/48

Wewnętrzne tempo wzrostu populacji 

W danych warunkach środowiskowych, przy nieograniczonych zasobach każda populacja realizuje maksymalne możliwe tempo wzrostu – jest to wewnętrzne tempo wzrostu populacji r.  r zależy od gatunku (maksymalna teoretycznie możliwa reprodukcja i minimalna teoretycznie możliwa śmiertelność) oraz od środowiska (faktycznie możliwa do zrealizowania w danych warunkach rozrodczość i śmiertelność) log( średnia _ liczba _ potomstwa _ na _ osobnika) ln R0 r  czas _ trwania _ pokolenia T



zmiana liczebności w czasie t = wewnętrzne tempo wzrostu  liczebność

N  rN t 23/48

Liczebność populacji (N)

200

N  rN t

160 120 80 40 0 0

10

20

200

dN  rN dt

160 120 80 40 0 0

30

10

20

30

Czas (t)

Czas (t)

dN/dt

Liczebność populacji (N)

Dynamika populacji – model wykładniczy

N

24/48

Populacje żyją na ogół w środowiskach o ograniczonych zasobach  model logistyczny 

Pojemność środowiska, K (ang. carrying capacity) – maksymalna liczebność populacji, jaka może istnieć w danym środowisku:  wraz ze zbliżaniem się liczebności do K nasila się konkurencja  dostępne do zasiedlenia środowisko jest już pomniejszone o Nt osobników: dN KN  rN dt K 25/48

Logistyczny model wzrostu liczebności populacji Liczebność populacji (N)

120 100 80 60 40 20 0 0

20

40

60

80

100

30

1.2

25

1.0

20

0.8

dN/Ndt

dN/dt

Czas (t)

15

0.6

10

0.4

5

0.2

0

0.0 0

50

100 N

0

50

100 N

26/48

Jak faktycznie wygląda dynamika naturalnych populacji?

27/48

Czynniki determinujące liczebność populacji 



Niezależne od zagęszczenia (hipoteza Andrewarthy i Bircha, 1954):  liczebność populacji jest wciąż redukowana przez zaburzenia środowiskowe, dzięki którym nigdy nie dochodzi do osiągnięcia liczebności K Zależne od zagęszczenia  regulacja liczebności populacji (hipoteza Lacka, 1954)  liczebność populacji wzrasta aż do osiągnięcia liczebności K, kiedy dalszy wzrost jest niemożliwy ze względu na ograniczone zasoby (wyczerpujące się zasoby pokarmowe, brak siedlisk itp.) 28/48

Regulacja zależna od zagęszczenia

29/48

Zależność od zagęszczenia może być różnie realizowana a

c

b

d

30/48

Podział zasobów między osobnikami (model Łomnickiego)

Zasoby

nadmiar przeznaczany na reprodukcję

m = minimum do przeżycia

Ranga osobnika 31/48

Regulacja liczebności przez nierówny podział zasobów - konkurencja „przez odbieranie” i „przez ustępowanie”

Zasoby

Zasoby

t

Ranga osobnika

odbieranie (scramble)

Ranga osobnika

Zasoby

ustępowanie (contest)

Ranga osobnika 32/48

Tribolium confusum – ustępowanie pozwala na przeżycie większej populacji w tych samych warunkach środowiskowych

Liczba imagines

Populacje otwarte (z migracjami)

Populacje zamknięte (bez migracji)

Liczba jaj Laskowski, R. 1986. Survival and cannibalism in free and confined populations of Tribolium confusum (Duval.). Ekol. pol. 34: 723-735.

33/48

Konkurencja wewnątrzgatunkowa 





  

Przedmiotem konkurencji mogą być rozmaite zasoby, ale tylko wówczas, gdy ich ilość dostępna dla danej populacji jest ograniczona; W oddziaływaniach konkurencyjnych obowiązuje zasada wzajemności; Wskutek konkurencji osobników wewnątrz populacji następuje zmniejszenie udziału poszczególnych osobników w tworzeniu następnych pokoleń; Sukces reprodukcyjny osobnika w warunkach konkurencji zależy od jego dostosowania; Nacisk konkurencji rośnie wraz ze wzrostem zagęszczenia populacji. Zasada „stałego plonu”. 35/48

Ekstynkcje populacji 

 

Prawdopodobieństwo ekstynkcji maleje ze wzrostem:  wewnętrznego tempa wzrostu r  pojemności środowiska (wielkości stałej K) Prawdopodobieństwo ekstynkcji rośnie ze wzrostem tempa zmian środowiskowych Czynniki stochastyczne (losowe) mogące wpływać na dynamikę populacji i prawdopodobieństwo ekstynkcji: 

 

Demograficzne (stałe wartości Fi i Pi, ale różne faktycznie realizowane); Środowiskowe (losowe zmiany Fi i Pi); Genetyczne (losowe zmiany Fi i Pi). 36/48

Dopuszczalna eksploatacja populacji Przykład: obliczyć dopuszczalną eksploatację populacji płetwala błękitnego Klasy wieku:

0-1

0 0,77  0  0 0  0 0 

2-3

4-5

6-7

8-9

10-11 12+

0,45 0 0 0 0 0 0  0,77 0 0 0 0 0   0 0,77 0 0 0 0  0 0 0,77 0 0 0   0 0 0 0,77 0 0  0 0 0 0 0,77 0,78 0

0,19

0,44 0,5

0,5

 λ = 1,0072  maksymalna eksploatacja: 100  (λ-1)/ λ = 0,71% 37/48

Konkurencja międzygatunkowa Zasada „jedna nisza - jeden gatunek” – trzy możliwości rozwiązania konfliktu:  Konkurencyjne wypieranie (np. Tribolium)  Podział zasobów (np. kraby, lasówki)  Rozchodzenie się cech (np. zięby Darwina)  W jakich warunkach możliwa jest koegzystencja gatunków konkurujących o te same zasoby?  model Lotki-Volterry 

38/48

Konkurencyjne wypieranie: dwa gatunki Tribolium Procentowy udział gatunku

Mikroklimat

T. confusum

T. castaneum

Gorący i wilgotny

0

100

Umiarkowany i wilgotny

14

86

Chłodny i wilgotny

71

29

Gorący i suchy

90

10

Umiarkowany i suchy

87

13

Chłodny i suchy

100

0 39/48

Podział zasobów: trzy gatunki krabów pustelników – liczba osobników w zależności od cech środowiska Pagarus hirsutiusculus

Siedlisko

Pagarus beringanus

Pagarus granosimanus

muszle ślimaka Littorina sitkana

Wyższe partie litoralu z udziałem brunatnicy Hedophyllum sessile

20

0

0

Głębsze partie litoralu

10

16

2

Duże głazy w środkowej części litoralu

6

0

2

muszle ślimaka Searlesia dira Głębsze partie litoralu

0

18

1

Płytsze części środkowego litoralu

0

0

26 40/48

Podział zasobów: pięć gatunków północnoamerykańskich lasówek na świerku lasówka rdzawolica lasówka rudogardła

lasówka kasztanowata

lasówka czarnogardła

lasówka pstra

MacArthur, 1958, Ecology.

41/48

Rozchodzenie się cech: zięby na wyspach Galapagos

Procent osobników w poszczególnych klasach

Szerokość dzioba

Populacje sympatryczne

G. fortis populacja allopatryczna

G. fuliginosa populacja allopatryczna

Szerokość dzioba Grant i Grant, 2002, Pearson Education, Inc. (Benjamin Cummings)

42/48

Konkurencja międzygatunkowa – model Lotki-Volterry K1  N1   1, 2 N 2 dN1  r1 N1 dt K1 K 1  N 1   1, 2 N 2 dN 1  0  r1 N 1 0 dt K1

K 2  N 2   2 ,1 N 1 dN 2  r2 N 2 dt K2 K 1  N 1   1, 2 N 2 dN 1  0  r1 N 1 0 dt K1

1. r1 = 0

1. r2 = 0

2. N1 = 0

2. N2 = 0

3. K1-N1-1,2N2 = 0

3. K2-N2-2,1N1 = 0

 N1 = K1-1,2N2

 N2 = K2-2,1N1 43/48

Izolinie dN/dt = 0 dla konkurujących populacji wg modelu Lotki-Volterry

44/48

Poszukiwanie punktów równowagi stabilnej dla dwugatunkowego układu

45/48

Inne układy wielogatunkowe i ich konsekwencje 

Drapieżnictwo – model Lotki-Volterry: dn  rn  nN dt dN  nN  mN dt

Parazytoidy: specjalny przypadek drapieżnictwa  Pasożytnictwo (hipoteza Hamiltona: ewolucja płci)  Roślinożerność („wyścig zbrojeń” – substancje toksyczne/detoksykacja)  Koewolucja (hipoteza Czerwonej Królowej) 

46/48



Mutualizm  symbiozy metaboliczne  powstanie Eucaryota z Proteobacteria i Cyanobacteria  porosty – symbioza glonów z grzybami  mikoryza (endo- i ekto-)  Zoogamia i zoochoria  Komensalizm

47/48

Pomóż młodszym kolegom:

pamiętaj o wypełnieniu ankiety USOS!

Egzamin 1. Termin: 20.06, 12.00, s. 1.1.1 2. Nie zapomnij legitymacji studenckiej! 48/48