Лабораторная работа №6 Письменно выполните задания к лабораторной работе

Занятие 6 Динамика популяции и демографические процессы

Цель занятия: изучить основные демографические процессы, протекающие в популяциях, получить представление о биотическом потенциале и типах динамики, сформировать навыки решения экологических задач.

Теоретические сведения

Изменение в численности, структуре и распределении популяции, как реакция на условия окружающей среды, называется динамикой популяции. Причинами изменения численности являются процессы размножения, гибели и миграции особей (рис.16) 

Каждой популяции и виду в целом свойствен так называемый биотический потенциал, под которым понимают теоретически возможное потомство от одной пары родительских особей. Биотический потенциал реализуется организмами только в отдельных случаях и в течение коротких промежутков времени. 

Рисунок 16 – Процессы, определяющие изменения численности (по А.В. Смурову, Л.В. Полищук, 1989). Знак (+) означает, что данный процесс приводит к увеличению численности, а знак  (–) – к ее уменьшению.

Например, если быстроразмножающиеся организмы (насекомые, микроорганизмы) осваивают какой-либо субстрат или среду, где нет конкурентов, врагов и достаточно пищевых ресурсов. Во многих случаях при неограниченных ресурсах и идеальных природных условиях и высокоорганизованные виды реализуют максимальную рождаемость. Численность популяции растет  сначала медленно, затем стремительно - по экспоненте, т.е. кривая роста принимает  J-образный вид. Если популяция изменяется непрерывно, а поколения полностью перекрываются, такой тип роста может быть описан уравнением:

где N – число особей в популяции; τ – время; r – врождѐнная скорость роста численности популяции, связанная с максимальной скоростью размножения особей данного вида. Экспоненциальная модель роста показана на рис. 17а.

 Экспоненциальный рост продолжается до внезапного падения плотности в результате исчерпания ресурсов среды. Такой тип роста не зависит от плотности, так как его регуляция не связана с плотностью популяции до самого момента катастрофы.

Рисунок 17 - Два типа кривых роста популяций: а – j- образная кривая роста дафний в культуре; б – S-образная кривая роста дрожжей в культуре

Но природные условия не идеальны, а природные ресурсы ограничены. Это, как правило, останавливает рост популяции ниже уровня максимальной рождаемости. Максимальный размер популяции одного вида, который природная экосистема способна поддерживать в определѐнных экологических условиях как угодно долго, называется емкостью среды. При ограниченных ресурсах размеры популяции того или иного вида также ограничены, и смертность начинает расти, когда численность популяции достигает ѐмкости среды. Когда это случается, J-образная кривая роста популяции начинает плавно изгибаться и принимает вид S-образной кривой (логистическая модель роста). Такой тип роста называется зависимым от плотности, так как скорость роста зависит от плотности, которая влияет на истощение ресурсов и накопление отходов, а, следовательно, на рост. Такой тип роста описывается зависимостью: 

 где K – ѐмкость среды.

С увеличением плотности скорость роста уменьшается до “0”, и кривая выходит на плато. Популяция стабильна, если численность колеблется в пределах ѐмкости среды (рис.17б). 

Все популяции в той или иной степени подвержены колебаниям численности входящих в них особей. Эти изменения носят название популяционных волн, волн жизни или волн численности.

Процессы размножения и гибели в популяции складываются из размножения и гибели особей в отдельных когортах. В каждый момент времени популяция представляется совокупностью множества когорт. Набор численности когорт, присутствующих в популяции в каждый момент времени, представляет возрастной состав (спектр) популяции. Для понимания и прогнозирования изменения численности популяции существенна характеристика когорты – еѐ кривая выживания.

Различают 3 основных типа кривых выживания (рис. 18): 

ü  I – выпуклая. Основная смертность в когорте приходится на старшие возраста;

ü  II – диагональная   (линейно убывающая).  Количество умерших в разных возрастах одинаково;

ü  III – вогнутая. Основная смертность приходится на яйца, личинки, молодь (рыбы, паразиты).

Во многих случаях реальные кривые выживания не соответствуют какому-либо определѐнному типу. Общим является лишь то, что кривая выживания не может возрастать.

Динамические показатели популяции неразрывно связаны с протекающими в ней демографическими процессами. К ним относят рождаемость, смертность, выживаемость и прирост числа. В  популяциях, численность которых, как правило, значительна, используют относительные (удельные) показатели.

Рисунок 18 – Типы кривых выживания когорты

Количественно относительная рождаемость (В_от) определяется как соотношение числа родившихся особей (N_b) к общей численности популяции (N), выраженное в процентах:

Количественно относительная смертность (D_от) определяется как соотношения числа погибших (N_d) к общей численности (N), выраженное в процентах, относительная выживаемость (V_от) - количество выживших особей, определяется аналогично.

Прирост числа особей определяется по разности между показателями рождаемости и смертности. В демографии человека все расчеты ведутся не в процентах, а в промиле (тысячных долях единицы).

Демогра́фия (др.-греч. δῆμος  – народ, др.-греч. γράφω  – пишу) – наука о закономерностях воспроизводства населения, о зависимости его характера от социально-экономических, природных условий, миграции, изучающая численность, территориальное размещение и состав населения, их изменения, причины и следствия этих изменений и дающая рекомендации по их улучшению. Демографией иногда называют вид практической деятельности по сбору данных, описанию и анализу изменений в численности, составе и воспроизводстве населения. Демографические исследования служат для разработки демографической политики, планирования трудовых ресурсов и пр.

Демография имеет свой четко очерченный объект исследования  – население. Демография изучает численность, территориальное размещение и состав населения, закономерности их изменений на основе социальных, экономических, а также биологических и географических факторов. Для математических расчетов в демографии человека используют формулы: b_аб = Δn/Δt, где Δn – число родившихся, а Δt – соответствующий период времени;

b_от = (b_аб/N) × 1000, где N – общее число населения;

d_аб = Δn_d/Δt, где Δn_d – число погибших, а Δt – соответствующий период времени;

d_от = (d_аб/N) × 1000, где N – общее число населения;

r_аб = b_аб - d_аб ;

r_от = b_от – d_от

Задание 1. Определите относительную рождаемость в колонии сурков, если весной родилось 164 детеныша, а популяция состояла из 100 репродуктивных и 35 старых особей. Постройте диаграмму возрастного состава и дайте характеристику описанной популяции.

Задание 2. Рассчитайте показатели смертности и выживаемости на разных стадиях жизненного цикла зимней пяденицы, используя данные таблицы 9. Сколько куколок превратится в бабочек? Какой процент особей популяции погибает от паразитов и хищников?

Таблица 9 –  Показатели плотности (экз./ 1 м²) зимней пяденицы (Чернышев В.Б., 1996)

Задание 3. Рыба нерка из семейства лососевых выметала 10000 икринок осенью. Весной из икринок вывелось около 500 мальков. Через год в море мигрировали 100 мальков. Через 2,5 года к месту нереста возвратились 5 взрослых особей, которые отложили икру и погибли. Определите рождаемость и смертность на каждом этапе, постройте кривую выживаемости. К какому типу кривых она относится?

Задание 4. Бабочка зимней пяденицы откладывает 200 яиц, зимой вымерзает до 180 из них, на стадии гусеницы  гибнет 6, а на стадии куколки гибнет 5 особей. Рассчитайте  выживаемость на каждой стадии жизненного цикла и смертность по отношению к первоначальному числу яиц. Когда смертность наибольшая? Сколько особей превратятся в имаго и отложат яйца, если смертность на этой стадии составляет до 10 %.

Задание 5. Пользуясь формулами, решите задачи.

1. Естественный прирост населения в городе N составил 0,9 промиле. Определите численность населения в городе, если известно, что абсолютный прирост составил 16 000 человек.

2. Численность населения в городе составляла 890000 человек. В текущем году родилось 4500, а умерло 3930 человек. Определите относительную рождаемость, смертность и прирост.

3. Определите показатели относительного прироста и общую численность населения в городе, если абсолютная рождаемость составила 13700 человек, а относительная - 2 промиле. Смертность составила 1,2 промиле.

4. Если численность населения в данном году составила 500000 человек, за год родилось 10000, а умерло 8000 человек, рассчитайте относительные показатели рождаемости и смертности на 1000 человек. Каков естественный прирост населения?

Контрольные вопросы

1.    Дайте понятие логистического роста популяции. В чем его отличия от экспоненциального роста?

2.    Что такое емкость среды и биотический потенциал вида? Как взаимосвязаны эти понятия?