L'ecologia delle popolazioni è la suddivisione dell'ecologia che si occupa della dinamica delle popolazioni di specie e di come queste popolazioni interagiscono con l'ambiente. È lo studio di come le dimensioni della popolazione delle specie cambiano nel tempo e nello spazio. Il termine è spesso usato in modo intercambiabile con la biologia della popolazione o la dinamica della popolazione. Descrive spesso anche i tipi di lotta per l'esistenza. A causa della selezione naturale, il numero di individui che si adattano al massimo aumenta.
In biologia, una popolazione è il grado di distribuzione di una specie particolare o di un certo numero di suoi rappresentanti che vivono in un'area.
Cronologia
Come è iniziato tutto? Lo sviluppo dell'ecologia della popolazione è in gran parte correlato alla demografia e alle tavole attuali della vita. Questa sezione è molto importante nelle attuali condizioni ambientali.
L'ecologia della popolazione è importante nella biologia della conservazione, specialmente quandosviluppare un'analisi della vitalità della popolazione (PVA) che predice la probabilità a lungo termine che una specie rimanga in un determinato habitat. Sebbene questa ecologia sia una sottospecie della biologia, presenta problemi interessanti per matematici e statistici che lavorano nel campo della dinamica delle popolazioni. In biologia, la popolazione è uno dei termini centrali.
Modelli
Come ogni scienza, l'ecologia utilizza modelli. I modelli semplificati di cambiamento della popolazione di solito iniziano con quattro variabili chiave (quattro processi demografici), tra cui morte, nascita, immigrazione ed emigrazione. I modelli matematici utilizzati per calcolare i cambiamenti nella situazione demografica e l'evoluzione della popolazione presuppongono l'assenza di influenze esterne. I modelli possono essere matematicamente più complessi quando "…diverse ipotesi in competizione si scontrano con i dati allo stesso tempo".
Qualsiasi modello di sviluppo della popolazione può essere utilizzato per derivare matematicamente determinate proprietà delle popolazioni geometriche. Una popolazione con dimensioni geometricamente crescenti è una popolazione in cui le generazioni riproduttive non si sovrappongono. In ogni generazione c'è una dimensione effettiva della popolazione (e territorio), indicata come Ne, che è il numero di individui nella popolazione che possono riprodursi e si riprodurranno in qualsiasi generazione riproduttiva. Cosa provoca preoccupazione.
Teoria della selezione r/K
Un concetto importante nell'ecologia delle popolazioni è la teoria della selezione r/K. La prima variabile è r (tasso interno di incremento naturaledimensione della popolazione, non dipende dalla densità) e la seconda variabile è K (capacità di carico della popolazione, dipende dalla densità). Le relazioni intraspecifiche giocano un certo ruolo in questo.
La specie
R selezionata (ad esempio molte specie di insetti come gli afidi) ha alti tassi di fecondità, basso investimento dei genitori nei giovani e alti tassi di mortalità prima che gli individui raggiungano la maturità. L'evoluzione promuove la produttività nelle specie r-selezionate. Al contrario, le specie selezionate K (come gli esseri umani) hanno bassi tassi di fertilità, alti livelli di investimento dei genitori in giovane età e bassi tassi di mortalità quando gli individui maturano.
L'evoluzione nelle specie selezionate K promuove l'efficienza nel trasformare più risorse in meno prole. Come risultato di improduttive relazioni interspecie, questi discendenti possono estinguersi, diventando gli ultimi rappresentanti della loro popolazione.
Storia della teoria
La terminologia di selezione r/K è stata coniata dagli ecologisti Robert MacArthur e EO Wilson nel 1967 sulla base del loro lavoro sulla biogeografia dell'isola. Questa teoria permette di identificare le cause delle fluttuazioni della popolazione.
La teoria era popolare negli anni '70 e '80 quando veniva usata come dispositivo euristico, ma cadde in disgrazia all'inizio degli anni '90 quando fu criticata da diversi studi empirici. Il paradigma della storia della vita ha sostituito il paradigma della selezione r/K, ma continua a includere molti dei suoi temi importanti. Il desiderio di riproduzione è il principaleforza trainante dell'evoluzione, quindi questa teoria è estremamente utile per il suo studio.
Quindi, le specie r-selezionate sono quelle che enfatizzano alti tassi di crescita, tendono a sfruttare nicchie ecologiche meno affollate e producono molti discendenti, ognuna delle quali ha una probabilità relativamente bassa di sopravvivere fino all'età adulta (cioè alta r, bassa K). Una specie tipica di r è il dente di leone (genere Taraxacum).
In ambienti instabili o imprevedibili, prevale la selezione r grazie alla capacità di moltiplicarsi rapidamente. C'è poco vantaggio negli adattamenti che gli consentono di competere con successo con altri organismi perché è probabile che l'ambiente cambi di nuovo. I tratti che si ritiene possano caratterizzare la selezione r includono: alta fecondità, corporatura piccola, inizio precoce della maturità, breve tempo di generazione e capacità di disperdere ampiamente la prole.
Gli organismi la cui storia di vita è stata sottoposta a r-selection sono spesso indicati come r-strategist. Gli organismi che esibiscono tratti r-selezionati possono variare da batteri e diatomee a insetti ed erbe, oltre a vari cefalopodi a sette lobi e piccoli mammiferi, in particolare roditori. La teoria differenziale K ha una connessione indiretta con la selezione naturale degli animali.
Selezione delle specie
Le specie selezionate K mostrano tratti associati alla vita in prossimità di densità di capacità di carico e tendono ad essere forti concorrenti in nicchie affollate che investono di più in menoil numero della prole. Ognuno dei quali ha una probabilità relativamente alta di sopravvivere fino all'età adulta (cioè bassa r, alta k). Nella letteratura scientifica, le specie selezionate r sono talvolta indicate come "opportunistiche", mentre le specie selezionate K sono descritte come "equilibrio".
In condizioni stabili o prevedibili, prevale la selezione K, poiché la capacità di competere con successo per risorse limitate è fondamentale e le popolazioni di organismi selezionati con K sono generalmente in numero molto costante e vicine al massimo che l'ambiente può sostegno. In contrasto con r-selected, dove la dimensione della popolazione può cambiare molto più velocemente. I numeri bassi portano all'incesto, che è una delle cause delle mutazioni.
Caratteristiche
Tratti ritenuti caratteristici della selezione K includono corporatura grande, lunga durata della vita e produzione di un minor numero di figli, che spesso richiedono un'attenta cura dei genitori fino a quando non sono maturi. Gli organismi la cui storia di vita è K-selezionata sono spesso indicati come K-strateghi o K-selezionati. Gli organismi con tratti selezionati per K includono organismi di grandi dimensioni come elefanti, esseri umani e balene, nonché organismi più piccoli e più longevi come sterne artiche, pappagalli e aquile. L'aumento della popolazione è una delle lotte per l'esistenza.
Classificazione degli organismi
Sebbene alcuni organismi siano identificati principalmente come strateghi R o K, la maggior parte degli organismi non segue questo schema. Ad esempio, gli alberi hanno tratti comelongevità e alta competitività che li caratterizzano come K-strategist. Tuttavia, durante la riproduzione, gli alberi di solito producono migliaia di discendenti e li disperdono ampiamente, il che è tipico degli strateghi r.
Allo stesso modo, i rettili come le tartarughe marine hanno caratteristiche sia r che k: sebbene le tartarughe marine siano organismi grandi con una lunga durata della vita (a condizione che raggiungano l'età adulta), producono un gran numero di discendenti inosservati.
Altre espressioni
La dicotomia r/K può essere riespressa come uno spettro continuo utilizzando il concetto economico di rendimenti futuri scontati con scelta r corrispondente a tassi di sconto elevati e scelta K corrispondente a tassi di sconto bassi.
Nelle aree con gravi disturbi ambientali o sterilizzazione (ad es. dopo una grande eruzione vulcanica, come Krakatoa o Mount St. Helens), gli strateghi R e K svolgono ruoli diversi nella sequenza ecologica che ripristina l'ecosistema. A causa dei loro tassi di riproduzione più elevati e dell'opportunismo ecologico, i colonizzatori primari tendono ad essere strateghi e sono seguiti da una serie di crescente competizione tra vita vegetale e animale. La capacità dell'ambiente di aumentare il contenuto energetico attraverso la cattura fotosintetica dell'energia solare aumenta con l'aumentare della biodiversità complessa poiché le specie r proliferano al massimo possibile conusando le strategie K.
Nuovo equilibrio
Alla fine ne consegue un nuovo equilibrio (a volte chiamato comunità culminante) quando gli strateghi r vengono gradualmente sostituiti da strateghi K che sono più competitivi e meglio adattati ai cambiamenti emergenti del paesaggio microecologico. Tradizionalmente, la biodiversità era considerata massimizzata in questa fase con l'introduzione di nuove specie, con conseguente sostituzione ed estinzione locale di specie endemiche. Tuttavia, l'ipotesi di disturbo intermedio afferma che livelli intermedi di disturbo nel paesaggio creano chiazze a diversi livelli di successione, facilitando la coesistenza di colonizzatori e concorrenti su scala regionale.
Sebbene generalmente applicata a livello di specie, la teoria della selezione r/K è utile anche per studiare l'evoluzione delle differenze ecologiche e di vita tra le sottospecie. Ad esempio, l'ape mellifera africana A. m. scutellata e l'ape italiana A. m. ligustica. All' altra estremità della scala, è stato anche utilizzato per studiare l'ecologia evolutiva di interi gruppi di organismi come i batteriofagi.
Opinioni di ricerca
Alcuni ricercatori come Lee Ellis, J. Philip Rushton e Aurelio Jose Figueredo hanno applicato la teoria della selezione r/K a vari comportamenti umani, tra cui delinquenza, promiscuità sessuale, fertilità e altri tratti legati alla teoria della storia della vita. Il lavoro di Rushton lo ha portato a sviluppare la "teoria K differenziale" per cercare di spiegare le molte differenze nel comportamento umano nelle aree geografiche. E questa teoria è stata criticata da molti altri ricercatori. Quest'ultimo ha suggerito che l'evoluzione delle risposte infiammatorie umane è correlata alla scelta di r/K.
Sebbene la teoria della selezione r/K abbia iniziato ad essere ampiamente utilizzata negli anni '70, ha anche ricevuto crescente attenzione. In particolare, una recensione dell'ecologo Stephen S. Stearns ha richiamato l'attenzione sulle lacune nella teoria e sulle ambiguità nell'interpretazione dei dati empirici per verificarli.
Ulteriori ricerche
Nel 1981, la revisione di Parry del 1981 della letteratura sulla selezione r/K ha mostrato che non c'era accordo tra i ricercatori che usavano la teoria della definizione della selezione r- e K, portandolo a mettere in discussione l'ipotesi di una relazione tra riproduzione costi. funzione.
Uno studio di Templeton e Johnson nel 1982 ha mostrato che in una popolazione di Drosophila mercatorum (una sottospecie della mosca) sottoposta a selezione K, produce effettivamente una maggiore frequenza di tratti tipicamente associati alla selezione r. Tra il 1977 e il 1994 furono pubblicati anche molti altri studi che contraddicono le previsioni della teoria della selezione r/K.
Quando Stearns ha esaminato lo stato di una teoria nel 1992, ha notato che dal 1977 al 1982, il servizio di ricerca bibliografica BIOSIS ha registrato una media di 42 citazioni di teoria all'anno, ma dal 1984 al 1989 la media è scesa a 16 all'anno. e ha continuato a declinare. Ha concluso che la teoria r/K una volta era un'utile euristica che non ha più uno scopo nella teoria della storia della vita.
Più recentemente la teoria della panarchia dell'adattivole capacità e la resilienza promosse da S. S. Holling e Lance Gunderson hanno ravvivato l'interesse per la teoria e la stanno utilizzando come un modo per integrare i sistemi sociali, l'economia e l'ecologia.
Ecologia della metapopolazione
L'ecologia della metapopolazione è un modello semplificato del paesaggio in aree di diversi livelli di qualità. I migranti che si spostano tra i siti sono strutturati in metapopolazioni come sorgenti o pozzi. Nella terminologia della metapopolazione, ci sono emigranti (individui che lasciano il sito) e immigrati (individui che si trasferiscono nel sito).
I modelli di metapopolazione esaminano le dinamiche del sito nel tempo per rispondere a domande sull'ecologia spaziale e demografica. Un concetto importante nell'ecologia della metapopolazione è l'effetto salvataggio, in cui piccole macchie di qualità inferiore (cioè pozzi) sono mantenute da un afflusso stagionale di nuovi immigrati.
La struttura della metapopolazione evolve di anno in anno, dove alcuni siti sono pozzi, come gli anni secchi, e diventano sorgenti quando le condizioni sono più favorevoli. Gli ecologisti usano una combinazione di modelli informatici e studi sul campo per spiegare la struttura della metapopolazione. La struttura per età di una popolazione è la presenza di rappresentanti di determinate età in una popolazione.
Autoecologia
Il termine più antico autoecologia (dal greco: αὐτο, auto, "sé"; οίκος, oikos, "famiglia" e λόγος, logos, "conoscenza"), si riferiscepiù o meno nello stesso campo di studio dell'ecologia della popolazione. Nasce dalla divisione dell'ecologia in autecologia - lo studio delle singole specie in relazione all'ambiente - e sinecologia - lo studio dei gruppi di organismi in relazione all'ambiente - o ecologia di comunità. Odum (un biologo americano) credeva che la sinecologia dovesse essere divisa in ecologia della popolazione, ecologia della comunità ed ecologia dell'ecosistema, definendo l'autoecologia come "ecologia delle specie".
Tuttavia, da tempo i biologi hanno riconosciuto che il livello più ampio di organizzazione di una specie è la popolazione, perché a questo livello il pool genetico della specie è più consistente. In effetti, Odum considerava "autoecologia" una "tendenza attuale" in ecologia (cioè un termine arcaico), sebbene includesse "ecologia delle specie" come una delle quattro divisioni dell'ecologia.
La prima pubblicazione di Population Ecology (originariamente chiamata Population Ecology Research) fu pubblicata nel 1952.
Documenti di ricerca sull'ecologia delle popolazioni possono essere trovati anche in riviste di ecologia animale.
Dinamica della popolazione
La dinamica della popolazione è una branca delle scienze della vita che studia le dimensioni e la composizione per età delle popolazioni come sistemi dinamici e i processi biologici e ambientali che li guidano (ad esempio, tassi di natalità e mortalità, immigrazione ed emigrazione). Esempi di scenari sono l'invecchiamento, la crescita o la contrazione della popolazione.
La crescita esponenziale descrive una riproduzione non regolamentata. Questo è molto insolito da vedere in natura. La crescita della popolazione è stata esponenziale negli ultimi 100 anni.
Thomas M althus credeva che la crescita della popolazione avrebbe portato alla sovrappopolazione e alla fame a causa della mancanza di risorse, compreso il cibo. In futuro, le persone non saranno in grado di sfamare grandi popolazioni. Il presupposto biologico della crescita esponenziale è che il tasso di crescita pro capite sia costante. La crescita non si limita alla scarsità di risorse o alla predazione.
La dinamica della popolazione è stata ampiamente utilizzata in diverse applicazioni della teoria del controllo. Utilizzando la teoria dei giochi evolutiva, i giochi di popolazione sono ampiamente applicati a vari contesti industriali e quotidiani. Utilizzati principalmente in sistemi MIMO (Multiple Input, Multiple Output), sebbene possano essere adattati per l'uso in sistemi SISO (single input, single output). Alcuni esempi di applicazione sono le campagne militari, la distribuzione di risorse per la distribuzione dell'acqua, l'invio di generatori distribuiti, esperimenti di laboratorio, problemi di trasporto, problemi di comunicazione. Inoltre, con un'adeguata contestualizzazione dei problemi di produzione, la dinamica della popolazione può essere una soluzione efficace e di facile applicazione ai problemi di controllo. Numerosi studi scientifici sono stati e sono in corso.
Sovrapopolazione
La sovrappopolazione si verifica quando la popolazione di una specie supera la capacità di carico di una nicchia ecologica. Questo potrebbe essere il risultatoun aumento del tasso di natalità (tasso di fertilità), una diminuzione del tasso di mortalità, un aumento dell'immigrazione o un bioma insostenibile e un esaurimento delle risorse. Inoltre, ciò significa che se ci sono troppe persone in un habitat, le persone limitano le risorse disponibili per sopravvivere. La struttura per età della popolazione non gioca un ruolo speciale.
In natura, la sovrappopolazione spesso fa aumentare le popolazioni di predatori. Questo ha l'effetto di controllare la popolazione delle prede e garantire che si evolva a favore di caratteristiche genetiche che la rendono meno vulnerabile ai predatori (e il predatore può co-evolvere).
In assenza di predatori, le specie sono vincolate dalle risorse che possono trovare nel loro ambiente, ma questo non controlla necessariamente la sovrappopolazione. Almeno a breve termine. Un'abbondante offerta di risorse può portare a un boom demografico seguito da una crisi demografica. Roditori come lemming e arvicole hanno questi cicli di rapida crescita della popolazione e successivo declino. Anche le popolazioni di lepri con le racchette da neve cambiano drasticamente in modo ciclico, così come uno dei predatori che le cacciano, la lince. Tenere traccia di questa tendenza è molto più semplice che identificare il genoma di una popolazione.
