Skip to main content
Global

4.2: גידול אוכלוסייה ורגולציה

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    207901

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    אקולוגים של אוכלוסיות עושים שימוש במגוון שיטות למודל דינמיקת האוכלוסייה. מודל מדויק אמור להיות מסוגל לתאר את השינויים המתרחשים באוכלוסייה ולחזות שינויים עתידיים. שני המודלים הפשוטים ביותר של גידול האוכלוסייה משתמשים במשוואות דטרמיניסטיות (משוואות שאינן מתייחסות לאירועים אקראיים) כדי לתאר את קצב השינוי בגודל האוכלוסייה לאורך זמן. הראשון מבין המודלים הללו, צמיחה אקספוננציאלית, מתאר אוכלוסיות הגדלות במספרים ללא כל הגבלה לצמיחתן. המודל השני, צמיחה לוגיסטית, מציג גבולות לצמיחת הרבייה ההולכים ומתעצמים ככל שגודל האוכלוסייה גדל. אף מודל לא מתאר כראוי אוכלוסיות טבעיות, אך הם מספקים נקודות השוואה.

    צמיחה מעריכית

    צ'ארלס דרווין, בפיתוח תיאוריית הברירה הטבעית שלו, הושפע מהכמורה האנגלי תומאס מלתוס. מלתוס פרסם את ספרו בשנת 1798 וקבע כי אוכלוסיות עם משאבי טבע בשפע גדלות במהירות רבה. עם זאת, הם מגבילים צמיחה נוספת על ידי דלדול המשאבים שלהם. הדפוס המוקדם של האצת גודל האוכלוסייה נקרא גידול מעריכי (איור\(\PageIndex{1}\)).

    הדוגמה הטובה ביותר לצמיחה מעריכית באורגניזמים נראית בחיידקים. חיידקים הם פרוקריוטים המתרבים במהירות, כשעה עבור מינים רבים. אם מניחים 1000 חיידקים בבקבוק גדול עם אספקה בשפע של חומרים מזינים (כך שהחומרים המזינים לא יתדלדלו במהירות), מספר החיידקים יוכפל מ -1000 ל -2000 לאחר שעה בלבד. בעוד שעה, כל אחד מ -2000 החיידקים יתחלק וייצר 4000 חיידקים. לאחר השעה השלישית, צריך להיות 8000 חיידקים בבקבוק. התפיסה החשובה של צמיחה מעריכית היא שקצב הגידול - מספר האורגניזמים שנוספו בכל דור רבייה - גדל בעצמו; כלומר, גודל האוכלוסייה גדל בקצב גדול יותר ויותר. לאחר 24 מהמחזורים הללו, האוכלוסייה הייתה גדלה מ -1000 ליותר מ -16 מיליארד חיידקים. כאשר גודל האוכלוסייה, N, משורטט לאורך זמן, נוצרת עקומת צמיחה בצורת J (איור\(\PageIndex{1}\)).

    הדוגמה של חיידקים בבקבוק אינה מייצגת באמת את העולם האמיתי שבו המשאבים בדרך כלל מוגבלים. עם זאת, כאשר מין מוחדר לבית גידול חדש שנראה לו מתאים, הוא עשוי להראות צמיחה מעריכית לזמן מה. במקרה של החיידקים בבקבוק, חלק מהחיידקים ימותו במהלך הניסוי וכך לא יתרבו; לפיכך, קצב הגידול יורד מקצב מקסימלי בו אין תמותה.

    צמיחה לוגיסטית

    צמיחה מעריכית מורחבת אפשרית רק כאשר קיימים משאבי טבע אינסופיים; זה לא המקרה בעולם האמיתי. צ'ארלס דרווין זיהה עובדה זו בתיאורו של "מאבק הקיום", הקובע כי יחידים יתחרו, עם בני מינים משלהם או אחרים, על משאבים מוגבלים. המצליחים נוטים יותר לשרוד ולהעביר את התכונות שגרמו להם להצליח לדור הבא בקצב גדול יותר (ברירה טבעית). כדי לדגמן את המציאות של משאבים מוגבלים, אקולוגים של אוכלוסיות פיתחו את מודל הצמיחה הלוגיסטי.

    כושר נשיאה והמודל הלוגיסטי

    בעולם האמיתי, עם המשאבים המוגבלים שלו, הצמיחה האקספוננציאלית לא יכולה להימשך ללא הגבלת זמן. צמיחה אקספוננציאלית עשויה להתרחש בסביבות שבהן יש מעט פרטים ומשאבים בשפע, אך כאשר מספר הפרטים יגדל מספיק, המשאבים יתרוקנו וקצב הצמיחה יאט. בסופו של דבר, קצב הצמיחה יתיישר או יתיישר (איור\(\PageIndex{1}\)). גודל אוכלוסייה זה, שנקבע על ידי גודל האוכלוסייה המרבי שסביבה מסוימת יכולה לקיים, נקרא כושר הנשיאה, המסומל כ - K. באוכלוסיות אמיתיות, אוכלוסייה הולכת וגדלה עולה לעתים קרובות על כושר הנשיאה שלה ושיעור התמותה עולה מעבר לשיעור הילודה וגורם לגודל האוכלוסייה לרדת בחזרה לכושר הנשיאה או מתחתיו. רוב האוכלוסיות בדרך כלל משתנות סביב כושר הנשיאה בצורה גלית ולא קיימות ממש בה.

    Figure_19_02_01ab.jpg
    איור\(\PageIndex{1}\). כאשר המשאבים אינם מוגבלים, אוכלוסיות מציגות (א) צמיחה מעריכית, המוצגת בעקומה בצורת J. כאשר המשאבים מוגבלים, אוכלוסיות מציגות (ב) צמיחה לוגיסטית. בצמיחה לוגיסטית, התרחבות האוכלוסייה פוחתת ככל שהמשאבים נעשים נדירים, והיא מתיישרת כאשר מגיעים לכושר הנשיאה של הסביבה. עקומת הצמיחה הלוגיסטית היא בצורת S.

    גרף של צמיחה לוגיסטית מניב את העקומה בצורת S (איור\(\PageIndex{1}\)). זהו מודל מציאותי יותר של גידול אוכלוסייה מאשר גידול אקספוננציאלי. ישנם שלושה חלקים שונים לעקומה בצורת S. בתחילה, הצמיחה היא אקספוננציאלית מכיוון שיש מעט אנשים ומשאבים רבים זמינים. ואז, ככל שהמשאבים מתחילים להיות מוגבלים, קצב הצמיחה יורד. לבסוף, קצב הגידול מתיישר בכושר הנשיאה של הסביבה, עם מעט שינוי במספר האוכלוסייה לאורך זמן.

    דוגמאות לצמיחה לוגיסטית

    שמרים, פטרייה חד-תאית המשמשת לייצור לחם ומשקאות אלכוהוליים, מציגה את העקומה הקלאסית בצורת S כאשר היא גדלה במבחנה (איור \(\PageIndex{2}\) א). הצמיחה שלו יורדת ככל שהאוכלוסייה מדלדלת את החומרים המזינים הדרושים לצמיחתה. בעולם האמיתי, לעומת זאת, יש וריאציות לעקומה האידיאלית הזו. דוגמאות באוכלוסיות בר כוללות כבשים וכלבי ים (איור \(\PageIndex{2}\) ב). בשתי הדוגמאות, גודל האוכלוסייה עולה על כושר הנשיאה לפרקי זמן קצרים ואז נופל מתחת לכושר הנשיאה לאחר מכן. תנודה זו בגודל האוכלוסייה ממשיכה להתרחש כאשר האוכלוסייה מתנדנדת סביב כושר הנשיאה שלה. ובכל זאת, אפילו עם תנודה זו המודל הלוגיסטי מאושר.

    Figure_19_02_02abf.png
    איור\(\PageIndex{2}\). (א) שמרים הגדלים בתנאים אידיאליים במבחנה מראים עקומת צמיחה לוגיסטית קלאסית בצורת S, ואילו (ב) אוכלוסייה טבעית של כלבי ים מראה תנודות בעולם האמיתי. השמרים מדמיינים באמצעות מיקרוגרפיה של אור ניגודיות הפרעות דיפרנציאליות. (אשראי א: נתוני סרגל קנה מידה מאת מאט ראסל)

    דינמיקת אוכלוסייה ורגולציה

    המודל הלוגיסטי של גידול האוכלוסייה, למרות שהוא תקף באוכלוסיות טבעיות רבות ומודל שימושי, הוא פישוט של דינמיקת האוכלוסייה בעולם האמיתי. המשתמע במודל הוא שיכולת הנשיאה של הסביבה אינה משתנה, וזה לא המקרה. כושר הנשיאה משתנה מדי שנה. לדוגמה, חלק מהקיצים חמים ויבשים ואילו אחרים קרים ורטובים; באזורים רבים כושר הנשיאה במהלך החורף נמוך בהרבה מאשר בקיץ. כמו כן, אירועים טבעיים כמו רעידות אדמה, הרי געש ושריפות יכולים לשנות סביבה ומכאן כושר הנשיאה שלה. בנוסף, אוכלוסיות בדרך כלל אינן קיימות בבידוד. הם חולקים את הסביבה עם מינים אחרים, ומתחרים בהם על אותם משאבים (תחרות בין-ספציפית). גורמים אלה חשובים גם להבנת האופן שבו אוכלוסייה ספציפית תגדל.

    מדוע הממותה הצמרית נכחדה?

    רוב אוכלוסיות הממותות הצמריריות נכחדו לפני כ -10,000 שנה, זמן קצר לאחר שהפליאונטולוגים מאמינים שבני אדם החלו ליישב את צפון אמריקה וצפון אירואסיה (איור). \(\PageIndex{3}\) אוכלוסיית ממותה שרדה באי ורנגל, בים הסיבירי המזרחי, והייתה מבודדת ממגע אנושי עד לאחרונה בשנת 1700 לפני הספירה. אנו יודעים הרבה על בעלי חיים אלה מפגרים שנמצאו קפואים בקרח סיביר ובאזורים צפוניים אחרים.

    Figure_19_02_04abc.jpg
    איור\(\PageIndex{3}\). שלוש התמונות כוללות: (א) ציור קיר משנת 1916 של עדר ממותה מהמוזיאון האמריקאי להיסטוריה של הטבע, (ב) הממותה הממולאת היחידה בעולם נמצאת במוזיאון לזואולוגיה הממוקם בסנט פטרסבורג, רוסיה, ו (ג) ממותה תינוקת בת חודש, בשם ליובה, שהתגלתה בסיביר בשנת 2007. (אשראי א: שינוי עבודה מאת צ'ארלס ר 'נייט; קרדיט ב: שינוי עבודה על ידי "Tanapon" /Flickr; אשראי ג: שינוי העבודה על ידי מאט האורי)

    מקובל לחשוב ששינויי אקלים וציד אנושי הובילו להכחדתם. מחקר משנת 2008 העריך כי שינויי האקלים הפחיתו את טווח הממותה מ -3,000,000 קילומטרים רבועים לפני 42,000 שנה ל -310,000 קילומטרים רבועים לפני 6,000 שנה. 2 באמצעות עדויות ארכיאולוגיות לאתרי הרג, מתועד היטב שבני אדם צדו את החיות הללו. מחקר שנערך בשנת 2012 הגיע למסקנה כי אף גורם אחד אינו אחראי באופן בלעדי להכחדת היצורים המפוארים הללו. 3 בנוסף לשינויי האקלים וצמצום בתי הגידול, מדענים הוכיחו גורם חשוב נוסף בהכחדת הממותה היה נדידת ציידים אנושיים על פני מיצר ברינג לצפון אמריקה בתקופת הקרח האחרונה לפני 20,000 שנה.

    שמירה על אוכלוסיות יציבות הייתה ומורכבת מאוד, כאשר גורמים רבים באינטראקציה קובעים את התוצאה. חשוב לזכור שגם בני האדם הם חלק מהטבע. פעם תרמנו לירידה של מין באמצעות טכנולוגיית ציד פרימיטיבית בלבד.

    מודלים של אוכלוסייה מבוססת דמוגרפיה

    אקולוגים של אוכלוסיות שיערו כי חבילות מאפיינים עשויות להתפתח במינים המובילים להתאמות מסוימות לסביבתם. התאמות אלה משפיעות על סוג גידול האוכלוסייה שהמינים שלהם חווים. מאפייני היסטוריית החיים כמו שיעורי ילודה, גיל בהתרבות ראשונה, מספר הצאצאים ואפילו שיעורי התמותה מתפתחים בדיוק כמו אנטומיה או התנהגות, מה שמוביל להתאמות המשפיעות על גידול האוכלוסייה. אקולוגים של אוכלוסיות תיארו רצף של "אסטרטגיות" היסטוריות חיים עם מינים שנבחרו K בקצה אחד ומינים נבחרים r בצד השני. K -מינים נבחרים מותאמים לסביבות יציבות וצפויות. אוכלוסיות של מינים נבחרים K נוטות להתקיים קרוב ליכולת הנשיאה שלהן. מינים אלה נוטים להיות בעלי צאצאים גדולים יותר, אך פחותים, ותורמים כמויות גדולות של משאבים לכל צאצא. פילים יהיו דוגמה למין שנבחר K. מינים נבחרים r מותאמים לסביבות לא יציבות ובלתי צפויות. יש להם מספר גדול של צאצאים קטנים. בעלי חיים שנבחרו r אינם מספקים משאבים רבים או טיפול הורי לצאצאים, והצאצאים עצמאיים יחסית בלידה. דוגמאות למינים שנבחרו r הם חסרי חוליות ימיים כגון מדוזות וצמחים כגון שן הארי. שתי האסטרטגיות הקיצוניות נמצאות בשני קצוות של רצף שעליו יתקיימו היסטוריות חיים של מינים אמיתיים. בנוסף, אסטרטגיות היסטוריית החיים אינן צריכות להתפתח כסוויטות, אלא יכולות להתפתח ללא תלות זו בזו, כך שלכל מין עשויים להיות מאפיינים מסוימים המתכוונים לקיצוניות כזו או אחרת.

    תורמים וייחוסים