Файл: ред Динамика численности популяций.doc

8

Лабораторная работа №1.

«Динамика численности популяций».

Моделирование динамики популяции с помощью расчетной программы

Цель работы: Изучить модели динамики численности популяции с помощью расчетной программы.

К работе допущен

Работу выполнил

Работу защитил

2010г.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Согласно определению известного русского эколога С.С.Шварца, популяция – это элементарная группировка организмов определенного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности длительное время в постоянно изменяющихся условиях среды.

Популяции, как и любой биологической открытой системе, свойственны определенная структура, рост, развитие, устойчивость к абиотическим и биотическим факторам.

Наиболее важным показателем благополучия популяции (устойчивости), ее роли в функционировании природной экосистемы является ее численность.

Численность популяции определяется в основном двумя явлениями – рождаемостью и смертностью, а также миграцией.

Рождаемость - количество новых особей, появившихся в единицу времени в результате размножения. В процессе размножения число особей возрастает, теоретически она способна к неограниченному росту численности.

Существуют различные типы изменения численности особей в популяции в зависимости от времени (динамики популяции). В наиболее простых случаях динамика популяции может быть описана несложными математическими моделями, которые позволяют прогнозировать изменение численности особей.

1. Экспоненциальный рост численности.

---

Одна из наиболее ранних моделей роста численности особей популяции была предложена Т. Мальтусом 1798 году, в широко известной работе "О принципах народонаселения". Данная модель получила название экспоненциальной зависимости роста численности (экспоненциальной кривой роста). В данной модели предполагается неограниченное количество природных ресурсов, доступных особям популяции, и отсутствие каких-либо сдерживающих факторов для роста численности. При таких допущениях численность особей в популяции возрастает по степенной зависимости, т.е. очень быстро и неограниченно.

Если обозначить через n₀ количество особей в популяции и начальный момент времени (t₀), а через N_t количество особей в некоторый момент времени t (t>t₀). Тогда изменение численности ∆N за интервал времени ∆t. т.е. скорость роста популяции будет равна:

(1)

В выражении (1) приведена средняя скорость роста популяции. Однако в популяционной экологии чаще используется не абсолютная средняя скорость, а скорость роста на один организм (специфическая скорость):

(2)

Данный показатель позволяет сравнивать значения изменение численности популяциях разных размеров. В этом случае численность определяется как скорость увеличения на одну особь за определенный интервал времени.

Перейдя к предельной форме записи скорости при 0 ии введя новоеобозначение:

(3)

В выражении (3) показатель r может быть определен как мгновенная удельная скорость роста популяции. Для различных популяций одного того же вида это показатель может иметь различные значения. Наибольшее из всех возможны значений (r_max) называют биотическим или репродуктивным потенциалом популяции

С учетом выражения (3) скорость роста популяции можно описать следующим выражением

(4)

---

Продифференцировав выражение (4) получим, что в любой момент времени при условии r=сonst (константа скорости роста) численность особей в популяции будет равна: (5)

Формула (5) описывает экспоненциальную модель роста популяции, которая в графическом виде имеет форму кривой (рис.1). Экспоненциальная модель роста отвечает условиям неограниченного роста численности особей в популяции.

Рис. 1. Экспоненциальная кривая роста численностиособей в популяции

2. Модель логистического роста

Условия среды никогда не остаются оптимальными бесконечно долго. Один или несколько абиотических (неоптимальная температура, влажность, соленость) и/или биотических (присутствие хищников, паразитов, нехватка пищи) факторов становятся лимитирующими (ограничивающими рост численности). Сочетание всех таких "ограничителей" называют сопротивлением среды. Сопротивление среды приводит к дифференцированному выживанию сильнейших, наиболее адаптированных особей, иными словами начинает действовать дарвиновский естественный отбор.

Максимальный размер популяции, который экосистема способна поддерживать неопределённо долго при неизменных природных условиях, называется ёмкостью экосистемы для данного вида.

Изменение численности популяции - это соотношение между биологическим потенциалом (прибавление особей) и сопротивлением среды (гибелью особей, смертностью). Факторы сопротивления среды ведут к увеличению смертности, и кривая численности выходит на плато или даже идет вниз, если популяционный взрыв вызвал истощение жизненно важных ресурсов экосистемы. Кривая роста численности популяции при сопротивлении среды приобретает S-образный вид (рис. 2).

Рис. 2. Модель S-образного роста численности популяции

Таким образом, в естественных условиях неограниченный рост невозможен и рано или поздно численность популяции достигнет своего предела, который определяется ёмкостью среды (пространственной, пищевой и т.д.). Если обозначить через максимально возможное число особей в популяции некоторую величину К (ёмкость среды) и ввести поправочный показатель, учитывающий "сопротивление" среды росту численности в виде отношения:

---

,

то уравнение для такого случая запишется в виде:

(7)

Решение этого дифференциального уравнения будет иметь вид

(8)

где а - константа интегрирования, определяющая положение функции относительно начала координат, она может быть найдена из выражения (при условии, r=const).

(9)

Выражение (8) описывает так называемую кривую логистического роста (рис.2). Это вторая простейшая математическая модель динамики популяции при условии верхнего предела численности и сопротивления среды росту численности. В соответствии с данной моделью численность популяции на первом этапе достаточно быстро растет, но затем скорость роста популяции замедляется и становится бесконечно малой вблизи величины К (логистическая кривая асимптотически приближается к горизонтали К).

---

3. Периодический (дискретный) рост

Когда популяция под действием сопротивления среды перестает расти (экспоненциальный рост сменяется s-образным), ее численность обнаруживает тенденцию к колебаниям относительно верхнего уровня роста. Подобные колебания численности могут быть случайными и периодическими (сезонными, многолетними). Такие колебания численности называются периодической динамикой численности популяции (рис.3).

Существуют ряд причин, вызывающих колебания численности: влияние абиотических факторов, недостаток пищи, внутрипопуляционных и межпопуляционных конкурентных отношений, выедание хищниками, болезни и пр.

Экологи выделяют два основных типа колебаний численности популяции и множество промежуточных вариантов (рис.3,4,5).

При первом типе периодические нарушения среды, такие как пожары, наводнения ураганы и засухи, часто приводят к катастрофической, не зависящей от плотности популяции, смертности. Так, популяции однолетних растений и насекомых быстро растут летом, а с наступлением холодов резко сокращаются.

Рис. 3 Колебания численности популяции вокруг ёмкости

Популяции, рост которых дает регулярные или случайные всплески, называются оппортунистическими. Такой тип динамики характерен для ряда беспозвоночных, рыб и некоторых млекопитающих (грызунов, зайцеобразных). Колебания

численности этих популяций управляется абиотическими факторами.

Другие популяции, так называемые равновесные (свойственные многим позвоночным), обычно находятся в состоянии, близком к состоянию равновесия с ресурсами, значения их плотности гораздо более устойчивы. Преобладание в экосистеме видов с тем или иным типом динамики зависит от степени сложности, следовательно, устойчивости экосистемы. В простых по структуре экосистемах, которые подвергаются воздействию физических стрессов либо необычных или нерегулярных факторов (арктические пустыни, тундра, высокогорье, пустыни, вновь возникшие водоемы и т.п.), численность популяции зависит от погодных условий, химических загрязнений и т.п. В стабильных экосистемах, имеющих сложную структуру или не подверженных физическим стрессам (леса, озера, степи), регуляция численности осуществляется за счет биологических факторов. В ходе сукцессии экосистемы как правило наблюдается закономерная смена оппортунистических пионерских популяций популяциями с равновесным, устойчивым типом динамики.

---