Wykład 12

EKOLOGIA OGÓLNA
WBNZ 884
Wykład 12
EKOLOGIA GATUNKU:
POPULACJA
Dynamika liczebności myszy leśnych i nornic rudych
w Białowieskim Parku Narodowym (1971-2000)
1998
2001
Predation in Vertebrate Communities: The
Bialowieza Primeval Forest As a Case Study
£575.15 Buy it now
Wieloletnia dynamika populacji obu gatunków gryzoni
i lata nasienne dębu i grabu
myszy,
nornice
norniki
MOŻLIWE INTERPRETACJE
ZMIAN LICZEBNOŚCI POPULACJI
NIEZALEŻNE
OD ZAGĘSZCZENIA
Andrewartha & Birch 1954
ZALEŻNE
OD ZAGĘSZCZENIA
Lack 1954
Mechanizmy niezależne od
zagęszczenia
• brak zasobów (np. pokarmu)
• brak dostępu do zasobów
• brak czasu
» Andrewartha & Birch 1954
Mechanizmy zależne od
zagęszczenia
(„regulacja populacji”)
np. model logistyczny
dN/dt = rN(1- N/K)
DZIAŁANIE CZYNNIKÓW
ZALEŻNYCH I NIEZALEŻNYCH
OD ZAGĘSZCZENIA
tempo rozrodu > śmiertelności
(= wzrost wykładniczy)
tempo rozrodu < śmiertelności
(= spadek wykładniczy)
tempo rozrodu , śmiertelności
z zagęszczeniem (= równowaga)
efekt Allee’ego
(= równowaga lub spadek)
zagęszczenie
czas
Zmiany liczebności
populacji kosa
Zależność zmiany liczebności
od liczebności w danym roku
Samoprzerzedzenie w plantacji drzew
(monokultura sosnowa)
SAMOPRZERZEDZENIE
V = średnia masa
osobników
n = zagęszczenie
TERYTORIALIZM
CHAOS DETERMINISTYCZNY W POPULACJI
Model logistyczny
równanie różniczkowe, czas ciągły:
dN/dt = rN(1-N/K)
(rozwiązania analityczne - całkowanie)
równanie różnicowe, czas dyskretny:
Nt+1 = Nt + ΔN = Nt + rNt(1-Nt/K)
(symulacja numeryczna, rekurencja)
CHAOS DETERMINISTYCZNY W POPULACJI
Nt+1 = Nt + ΔN = Nt + rNt(1-Nt/K)
r=0.8
r=2.3
r=1.8
r=2.8
TYPOWY CYKL POPULACYJNY
NORNIKÓW
(Białowieski Park Narodowy)
„KLASYCZNY” CYKL POPULACYJNY
ZAJĄCA I RYSIA W KANADZIE
(MacLulich 1937)
Populacje osobno
Konkurencyjne wypieranie
Koegzystencja
EKSPERYMENT
GAUSEGO
Równanie logistyczne
dn
=
rn
(1-n/K)
dt
n
K
n0
t
STABILIZUJĄCY WPŁYW
ZMIENNOŚCI
INDYWIDUALNEJ
MODEL ŁOMNICKIEGO
ranga
Trzy sposoby przedstawienia
rozkładu zmiennej:
gęstość, dystrybuanta i ogiwa
x = ranga osobnika
y(x) = zagospodarowane zasoby (funkcja rangi)
m = minimalna wartość y(x), niezbędna do przetrwania
jeżeli y(x)<m osobnik o randze x ginie nie wydając
potomstwa
K osobników bierze y(x)>=m
nadmiar g(x) = y(x)-m
zamienią na potomstwo
(z wydajnością h)
K
Nt+1 = h Σ g(x)
x=1
PRZY RÓWNYM
PODZIALE
ZASOBÓW
ALBO WSZYSTKIE
PRZEŻYWAJĄ,
ALBO WSZYSTKIE
(W KOŃCU) GINĄ
Wniosek z modelu
Łomnickiego:
NIERÓWNY
PODZIAŁ
ZASOBÓW
SPRZYJA
STABILNOŚCI
POPULACJI
WARUNKI PRZETRWANIA POPULACJI
EFEKTYWNA WIELKOŚĆ POPULACJI:
tylko osobniki rzeczywiście biorące udział w rozrodzie
Najmniejsza populacja
żywotna: N=500?
Najmniejsza populacja
odporna na utratę alleli
neutralnych przez dryf
N=105 ?
Szkodliwy wpływ
inbredu N<50 ?
Tempo wymierania małych populacji ptaków na wyspach
w zależności od wielkości populacji
WYKŁADNICZY WZROST
LICZEBNOŚCI
POPULACJI LUDZKIEJ
Paul Ehrlich
Fig. 1. World and continental population projections.
(A) UN 2012 world population projection (solid red line), with 80% PI (dark shaded area),
95% PI (light shaded area), and the traditional UN high and low variants (dashed blue
lines).
Gerland et al., 2014: Science 346 (6206): 234-237
Fig. 1World and continental population projections.
(B) UN 2012 population projections by continent. In both panels, the vertical dashed line
denotes 2012.
Gerland et al., 2014: Science 346 (6206): 234-237
UDZIAŁ OSÓB W WIEKU>59 LAT
STARZENIE
SIĘ
POPULACJI
LUDZKIEJ
PROGNOZA LICZBY LUDNOŚCI W POLSCE (GUS 2007)
20000
19500
19000
18500
18000
17500
17000
16500
16000
2002a
38219 tys.
2005
2010
2015
Mężczyźni
2020
Kobiety
2025
2030
35693 tys.
http://www.worldometers.info/world-population/
DEMOGRAFIA
a
HISTORIA ŻYCIOWA
ALOKACJA ZASOBÓW
METABOLIZM
I
SYNTEZA
WZROST
REZERWY
REPRODUKCJA
ZDOBYCIE
ZASOBÓW
NAPRAWY
OBRONA
organizm neodarwinowski
ALOKACJA ZASOBÓW
METABOLIZM
I
SYNTEZA
WZROST
REZERWY
REPRODUKCJA
ZDOBYCIE
ZASOBÓW
NAPRAWY
OBRONA
organizm neodarwinowski
CAŁOŻYCIOWY BILANS ENERGII [ZASOBÓW] OSOBNIKA
R
C
P
P
FU
CAŁOŻYCIOWY BILANS ENERGII [ZASOBÓW] OSOBNIKA
R
C
P
FU
HISTORIA ŻYCIOWA („life history”)
i STRATEGIE EWOLUCYJNE
masa
ciała
od 10-13
do
108 g
WZROST I
ROZWÓJ
ROZRÓD
PRZEŁĄCZENIE
czas życia
od 102 do 1010 sekund
Tabela przeżywania i reprodukcji
x
lx
qx (%)
fx
mx
mxlx
0
1
25
0
0
0
1
0.75
20
0
0
0
2
0.6
8.3
1
0.5
0.3
3
0.55
9.1
1
0.5
0.275
4
0.5
30
1
0.5
0.25
5
0.35
100
1
0.5
0.175
Σ
R0=1.0
x
lx
qx (%)
fx
mx
mxlx
0
1
25
0
0
0
1
0.75
20
0
0
0
2
0.6
8.3
1
0.5
0.3
3
0.55
9.1
1
0.5
0.275
4
0.5
30
1
0.5
0.25
5
0.35
100
1
0.5
0.175
Σ
R0=1.0
W tabeli życia są klasy wieku z fx = 0,
ale zawsze qx > 0 !
DOBÓR NATURALNY
MAKSYMALIZUJE
CAŁOŻYCIOWY
SUKCES ROZRODCZY,
A NIE WYDAJNOŚĆ
POSZCZEGÓLNYCH
CECH ORGANIZMU
proporcja dożywających
lx
klasy wieku
Lx
klasy wieku
Tabela przeżywania
x
lx
Lx
Tx
ex
0
1
0.875
3.25
3.25
1
0.75
0.675
2.375
3.17
2
0.6
0.575
1.7
2.83
3
0.55
0.525
1.125
2.05
4
0.5
0.425
0.6
1.2
5
0.35
0.175
0.175
0.5
(lx+lx+1)/2
Sumowanie
od dołu
Dalsza
oczekiwana
długość życia
proporcja dożywających
Lx
klasy wieku
proporcja dożywających
Lx
klasy wieku
proporcja dożywających
Lx
klasy wieku
Tabela przeżywania
x
lx
Lx
Tx
ex
0
1
0.875
3.25
3.25
1
0.75
0.675
2.375
3.17
2
0.6
0.575
1.7
2.83
3
0.55
0.525
1.125
2.05
4
0.5
0.425
0.6
1.2
5
0.35
0.175
0.175
0.5
Sumowanie Lx od
dołu
Dalsza oczekiwana
długość życia
Tx/lx
(lx+lx+1)/2
HISTORIA ŻYCIOWA („life history”)
i STRATEGIE EWOLUCYJNE
masa
MASA
ciała
CIAŁA
WZROST
I ROZWÓJ
ROZRÓD
od 10-13
do
108 g
PRZEŁĄCZENIE
czas życia
CZAS ŻYCIA od 102 do 1010 sekund
HISTORIA ŻYCIA HIPOTETYCZNEGO ORGANIZMU
Liczebność
100
75
Klasa
wieku
Liczebność
na początku
klasy wieku
Śmiertelność
w klasie
wieku
[%]
Średnia
liczebność
w klasie
wieku
1
100
50
75
2
50
40
40
3
30
100
15
4
0
50
40
30
15
1
2
3
4
Klasa wieku (czas)
liczba
młodych w
klasie
wieku
2,5
Śmiertelność
liczba
Klasa
w klasie
młodych w
wieku
wieku
klasie
[%]
wieku
100
75
50
40
30
1
50
2
40
3
100
2,5
4
15
100
75
50
40
30
15
Potomstwo 2 klasy wieku
rozpoczyna swoje życie
Jako kolejna kohorta
100
Śmiertelność
liczba
Klasa
w klasie
młodych w
wieku
wieku
klasie
[%]
wieku
75
50
40
30
15
1
50
2
40
3
100
2,5
4
100
Sumując liczebności
kohort w synchronicznych
klasach wieku
otrzymujemy dynamikę
liczebności populacji
75
50
40
30
15
SUMA
75
115
40
15
Czas
1
2
3
4
…
LICZEBNOŚĆ POPULACJI PRZY ZRÓWNOWAŻONEJ
ŚMIERTELNOŚCI I ROZRODCZOŚCI
Liczebność populacji
Liczebność populacji
140
120
100
80
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Czas
Śmiertelność
liczba
Klasa
w klasie
młodych w
wieku
wieku
klasie
[%]
wieku
SUMA
75
115
130
…
…
1
50
2
40
3
100
4
2,5
ZMIANY LICZEBNOŚCI POPULACJI
PRZY MNIEJSZEJ ŚMIERTELNOŚCI
1
50 40
2
40
3
4
100
2,5
800
Liczebność populacji
Śmiertelność
liczba
Klasa
w klasie
młodych w
wieku
wieku
klasie
[%]
wieku
700
600
500
400
300
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Czas
ZMIANY LICZEBNOŚCI POPULACJI
PRZY MNIEJSZEJ ROZRODCZOŚCI
1
50
2
40
3
100
4
2,5 2,0
90
80
Liczebność populacji
liczba
Śmiertelność
Klasa
w klasie
młodych w
wieku
wieku
klasie
[%]
wieku
70
60
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Czas
EKOLOGIA POPULACYJNA
KRZYWA PRZEŻYWANIA (POLSKA 2012) [GUS]
LICZBA DOŻYWAJĄCYCH lx
liczba dożywających
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
0
20
40
60
80
wiek dożywających
mężczyźni
kobiety
100
Płodność kobiet 2012
(urodzenia żywe na 1000 kobiet)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
15-49
15 - 19 20 - 24 25 - 29 30 - 34
35-39
40 - 44 45-49
HISTORIA ŻYCIOWA CZŁOWIEKA
LICZBA DOŻYWAJĄCYCH lx
liczba dożywających
120000
100000
80000
60000
PŁODNOŚĆ KOBIET
40000
20000
0
0
20
40
60
80
wiek dożywających
mężczyźni
kobiety
100
KRZYWA PRZEŻYWANIA (POLSKA 2012) [GUS]
LICZBA DOŻYWAJĄCYCH lx
liczba dożywających
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
0
20
40
60
80
wiek dożywających
mężczyźni
kobiety
100
PRAWDOPODOBIEŃSTWO ZGONU qx
prawdopodoieństwo zgonu
0,40000
0,35000
0,30000
0,25000
0,20000
0,15000
0,10000
0,05000
0,00000
0
20
40
60
80
wiek dożywających
mężczyźni
kobiety
100
DALSZE TRWANIE ŻYCIA ex
przewidywane dalsze trwanie
życia
90,00
1955 2014
M:15,3 19,7
K: 17,7 24,3
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
0
20
40
60
80
wiek dożywających
mężczyźni
kobiety
100
OSIĄGANY WIEK
przewidywany wiek śmierci
105,00
100,00
95,00
90,00
85,00
80,00
75,00
70,00
65,00
60,00
0
20
40
60
80
wiek dożywających
mężczyźni
kobiety
100
OSIĄGANY WIEK
przewidywany wiek śmierci
105,00
100,00
95,00
90,00
85,00
80,00
75,00
70,00
65,00
60,00
0
20
40
60
67
80
wiek dożywających
mężczyźni
kobiety
100
Prognoza średniej długości życia
w Polsce
Prognoza średniej długości życia
w Polsce
1955 M 55,6
K 61,5
ŚREDNIA DŁUGOŚĆ ŻYCIA (Lata)
log
DOCHÓD NA GŁOWĘ ($ / rok, z popr. na inflację)
SYMULACJA POGLĄDOWA ZMIAN DEMOGRAFICZNYCH
mężczyźni
Prognoza zmiany struktury
wiekowej populacji Polski
tys.
PROGNOZA LICZBY LUDNOŚCI W POLSCE
20000
19500
19000
18500
18000
17500
17000
16500
16000
2002a
38219 tys.
2005
2010
2015
Mężczyźni
2020
Kobiety
2025
2030
35693 tys.
ALOKACJA ZASOBÓW
METABOLIZM
I
SYNTEZA
WZROST
REZERWY
REPRODUKCJA
ZDOBYCIE
ZASOBÓW
NAPRAWY
OBRONA
organizm neodarwinowski
Weiner 1992
Weiner 1992
POKARM
„OBJĘTOŚCIOWY”
NISKOSTRAWNY
OBFICIE DOSTĘPNY
POKARM
SKONCENTROWANY
ŁATWOPRZYSWAJALNY
TRUDNY DO ZDOBYCIA
©JW
żerowanie
trawienie
wchłanianie
CIEPŁO
PRACA
TKANKI
Weiner 1992
Jak dzięcioł czarny rozwiązał
dylemat:
być dużym czy szybko rosnąć?
ZMIANA STRATEGII POKARMOWEJ W CIĄGU ŻYCIA
©JW
GĄSIENICA: POKARM
OBJĘTOŚCIOWY, NISKOSTRAWNY
MOTYL: POKARM SKONCENTROWANY
STRATEGIA ROZRODCZA: LICZNE POTOMSTWO
NISKIE INWESTYCJE INDYWIDUALNE
©JW
Corymbia rubra
LARWA DREWNOJADA: POKARM NISKOWARTOŚCIOWY
MAŁA ŚMIERTELNOŚĆ; DŁUGI CZAS ROZWOJU
©JW
Corymbia rubra
IMAGO: POKARM SKONCENTROWANY
(MAŁO ISTOTNY)
©JW
BŁONKÓWKI: POKARM SKONCENTROWANY
SPOŁECZNA OPIEKA NAD POTOMSTWEM
SZYBKI ROZWÓJ
©JW