19.2: النمو السكاني والتنظيم
- Page ID
- 191285
يستخدم علماء البيئة السكانية مجموعة متنوعة من الأساليب لنمذجة الديناميكيات السكانية. يجب أن يكون النموذج الدقيق قادرًا على وصف التغييرات التي تحدث في السكان والتنبؤ بالتغيرات المستقبلية.
نمو سكاني
يستخدم النموذجان الأبسط للنمو السكاني المعادلات الحتمية (المعادلات التي لا تأخذ في الاعتبار الأحداث العشوائية) لوصف معدل التغير في حجم السكان بمرور الوقت. يصف النموذج الأول من هذه النماذج، النمو المتسارع، المجموعات النظرية التي تزداد في الأعداد دون أي حدود لنموها. النموذج الثاني، النمو اللوجستي، يضع قيودًا على النمو الإنجابي تصبح أكثر كثافة مع زيادة حجم السكان. لا يصف أي من النموذجين المجموعات الطبيعية بشكل كافٍ، ولكنه يوفر نقاط للمقارنة.
نمو أسي
تأثر تشارلز داروين، في تطوير نظريته في الانتقاء الطبيعي، برجل الدين الإنجليزي توماس مالثوس. نشر مالثوس كتابه عام 1798 موضحًا أن السكان ذوي الموارد الطبيعية الوفيرة ينموون بسرعة كبيرة؛ ومع ذلك، فإنهم يحدون من المزيد من النمو من خلال استنزاف مواردهم. يُطلق على النمط المبكر لتسريع حجم السكان النمو المتسارع.
أفضل مثال للنمو الأسي في الكائنات الحية يظهر في البكتيريا. البكتيريا هي بدائيات النواة التي تتكاثر بشكل كبير عن طريق الانشطار الثنائي. يستغرق هذا التقسيم حوالي ساعة للعديد من الأنواع البكتيرية. إذا تم وضع 1000 بكتيريا في قارورة كبيرة مع كمية وفيرة من العناصر الغذائية (لذلك لن تستنفد العناصر الغذائية بسرعة)، فسوف يتضاعف عدد البكتيريا من 1000 إلى 2000 بعد ساعة فقط. في غضون ساعة أخرى، ستنقسم كل بكتيريا من 2000 بكتيريا، وتنتج 4000 بكتيريا. بعد الساعة الثالثة، يجب أن يكون هناك 8000 بكتيريا في القارورة. المفهوم المهم للنمو المتسارع هو أن معدل النمو - عدد الكائنات الحية المضافة في كل جيل تناسلي - آخذ في الازدياد في حد ذاته؛ أي أن حجم السكان يتزايد بمعدل أكبر وأكثر. بعد 24 من هذه الدورات، سيزداد عدد السكان من 1000 إلى أكثر من 16 مليار بكتيريا. عندما يتم رسم حجم السكان، N، بمرور الوقت، يتم إنتاج منحنى نمو على شكل J (الشكل\(\PageIndex{1}\) أ).
لا يمثل مثال البكتيريا في القارورة حقًا العالم الحقيقي حيث عادة ما تكون الموارد محدودة. ومع ذلك، عندما يتم إدخال نوع ما إلى موطن جديد يجده مناسبًا، فقد يظهر نموًا هائلاً لفترة من الوقت. في حالة البكتيريا الموجودة في القارورة، تموت بعض البكتيريا أثناء التجربة وبالتالي لا تتكاثر؛ لذلك يتم تخفيض معدل النمو من المعدل الأقصى الذي لا توجد فيه وفيات. يتم تحديد معدل نمو السكان إلى حد كبير عن طريق طرح معدل الوفيات، D، (عدد الكائنات الحية التي تموت خلال فترة) من معدل المواليد، B، (عدد الكائنات الحية التي تولد خلال فترة). يمكن التعبير عن معدل النمو في معادلة بسيطة تجمع بين معدلات المواليد والوفيات في عامل واحد: r. يظهر هذا في الصيغة التالية:
\[\text{Population growth} = rN \nonumber\]
يمكن أن تكون قيمة r إيجابية، بمعنى أن عدد السكان يتزايد في الحجم (معدل التغيير إيجابي)؛ أو سلبي، مما يعني أن عدد السكان يتناقص في الحجم؛ أو صفر، وفي هذه الحالة يكون حجم السكان غير متغير، وهي حالة تعرف باسم النمو السكاني الصفري.
نمو لوجستي
لا يمكن تحقيق النمو المتسارع الممتد إلا عندما تتوفر موارد طبيعية غير محدودة؛ ليس هذا هو الحال في العالم الحقيقي. أدرك تشارلز داروين هذه الحقيقة في وصفه لـ «النضال من أجل الوجود»، والذي ينص على أن الأفراد سيتنافسون (مع أفراد من جنسهم أو الأنواع الأخرى) على الموارد المحدودة. من المرجح أن ينجو الناجحون وينقلون السمات التي جعلتهم ناجحين إلى الجيل التالي بمعدل أكبر (الانتقاء الطبيعي). لنمذجة واقع الموارد المحدودة، طور علماء البيئة السكانية نموذج النمو اللوجستي.
القدرة الاستيعابية والنموذج اللوجستي
في العالم الحقيقي، بموارده المحدودة، لا يمكن أن يستمر النمو المتسارع إلى أجل غير مسمى. قد يحدث النمو المتسارع في البيئات التي يوجد فيها عدد قليل من الأفراد والموارد الوفيرة، ولكن عندما يصبح عدد الأفراد كبيرًا بما يكفي، سيتم استنفاد الموارد وسيتباطأ معدل النمو. في نهاية المطاف، سوف يستقر معدل النمو أو يستقر (الشكل\(\PageIndex{1}\) ب). هذا الحجم السكاني، الذي يتم تحديده من خلال الحد الأقصى لحجم السكان الذي يمكن أن تحافظ عليه بيئة معينة، يسمى القدرة الاستيعابية، أو K. في المجموعات السكانية الحقيقية، غالبًا ما يتجاوز عدد السكان المتزايد قدرته الاستيعابية، ويزداد معدل الوفيات بما يتجاوز معدل المواليد مما يؤدي إلى انخفاض حجم السكان مرة أخرى إلى القدرة الاستيعابية أو أقل منها. عادة ما يتذبذب معظم السكان حول القدرة الاستيعابية بطريقة متموجة بدلاً من التواجد فيها مباشرة.
تضيف الصيغة المستخدمة لحساب النمو اللوجستي القدرة الاستيعابية كقوة معتدلة في معدل النمو. التعبير «K - N» يساوي عدد الأفراد الذين يمكن إضافتهم إلى مجموعة سكانية في وقت معين، و «K - N» مقسومًا على «K» هو جزء من القدرة الاستيعابية المتاحة لمزيد من النمو. وبالتالي، فإن نموذج النمو الأسي مقيد بهذا العامل لتوليد معادلة النمو اللوجستي:
\[\text{Population growth} = rN \left[\dfrac{K-N}{K}\right] \nonumber\]
لاحظ أنه عندما يكون N صفرًا تقريبًا، تكون الكمية بين الأقواس تساوي تقريبًا 1 (أو K/ K) ويكون النمو قريبًا من الأسي. عندما يكون حجم السكان مساويًا للقدرة الاستيعابية، أو N = K، فإن الكمية بين قوسين تساوي الصفر والنمو يساوي الصفر. ينتج الرسم البياني لهذه المعادلة (النمو اللوجستي) منحنى على شكل S (الشكل\(\PageIndex{1}\) ب). إنه نموذج أكثر واقعية للنمو السكاني من النمو المتسارع. هناك ثلاثة أقسام مختلفة لمنحنى على شكل S. في البداية، كان النمو هائلاً بسبب قلة الأفراد والموارد الوفيرة المتاحة. ثم عندما تبدأ الموارد في أن تصبح محدودة، ينخفض معدل النمو. أخيرًا، يستقر معدل النمو على القدرة الاستيعابية للبيئة، مع تغير طفيف في عدد السكان بمرور الوقت.
دور المسابقة غير المحددة
يفترض النموذج اللوجستي أن كل فرد من السكان سيكون لديه وصول متساوٍ إلى الموارد، وبالتالي فرصة متساوية للبقاء على قيد الحياة. بالنسبة للنباتات، تعد كمية الماء وضوء الشمس والعناصر الغذائية ومساحة النمو من الموارد المهمة، بينما في الحيوانات، تشمل الموارد المهمة الغذاء والماء والمأوى ومساحة التعشيش والزملاء.
في العالم الحقيقي، يعني الاختلاف المظهري بين الأفراد داخل السكان أن بعض الأفراد سيكونون أكثر تكيفًا مع بيئتهم من الآخرين. يُطلق على المنافسة الناتجة على الموارد بين أفراد السكان من نفس النوع المنافسة بين الأنواع. قد لا تؤثر المنافسة بين الأنواع على السكان الذين هم أقل بكثير من طاقتهم الاستيعابية، حيث أن الموارد وفيرة ويمكن لجميع الأفراد الحصول على ما يحتاجون إليه. ومع ذلك، مع زيادة حجم السكان، تزداد هذه المنافسة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي تراكم النفايات إلى تقليل القدرة الاستيعابية في البيئة.
أمثلة على النمو اللوجستي
تظهر الخميرة، وهي فطر مجهري يستخدم في صنع الخبز والمشروبات الكحولية، المنحنى الكلاسيكي على شكل حرف S عندما تنمو في أنبوب اختبار (الشكل\(\PageIndex{2}\) أ). تنخفض مستويات نموها حيث يستنفد السكان العناصر الغذائية الضرورية لنموها. ولكن في العالم الحقيقي، هناك اختلافات في هذا المنحنى المثالي. تشمل الأمثلة في المجموعات البرية الأغنام وفقمات المرفأ (الشكل\(\PageIndex{2}\) ب). في كلا المثالين، يتجاوز حجم السكان القدرة الاستيعابية لفترات قصيرة من الوقت ثم ينخفض إلى ما دون القدرة الاستيعابية بعد ذلك. يستمر هذا التقلب في حجم السكان في الحدوث حيث يتذبذب السكان حول قدرتهم الاستيعابية. ومع ذلك، حتى مع هذا التذبذب، تم تأكيد النموذج اللوجستي.
آرت كونيكشن
إذا انخفض مصدر الغذاء الرئيسي للأختام بسبب التلوث أو الصيد الجائر، فأي مما يلي سيحدث على الأرجح؟
- ستنخفض القدرة الاستيعابية للأختام، وكذلك عدد الفقمات.
- ستنخفض القدرة الاستيعابية للأختام، لكن عدد الفقمات سيظل كما هو.
- سيزداد عدد وفيات الفقمة، لكن عدد الولادات سيزداد أيضًا، لذلك سيظل حجم السكان كما هو.
- ستبقى القدرة الاستيعابية للأختام كما هي، لكن عدد الفقمات سينخفض.
ديناميات السكان والتنظيم
النموذج اللوجستي للنمو السكاني، على الرغم من صلاحيته في العديد من المجموعات الطبيعية ونموذجًا مفيدًا، هو تبسيط لديناميات السكان في العالم الحقيقي. ينطوي النموذج ضمنيًا على أن القدرة الاستيعابية للبيئة لا تتغير، وهذا ليس هو الحال. تختلف القدرة الاستيعابية سنويًا. على سبيل المثال، يكون بعض الصيف حارًا وجافًا بينما يكون البعض الآخر باردًا ورطبًا؛ في العديد من المناطق، تكون القدرة الاستيعابية خلال فصل الشتاء أقل بكثير مما هي عليه خلال فصل الصيف. كما أن الأحداث الطبيعية مثل الزلازل والبراكين والحرائق يمكن أن تغير البيئة وبالتالي قدرتها على التحمل. بالإضافة إلى ذلك، لا يوجد السكان عادة في عزلة. يتشاركون البيئة مع الأنواع الأخرى، ويتنافسون معهم على نفس الموارد (المنافسة بين الأنواع). هذه العوامل مهمة أيضًا لفهم كيفية نمو مجموعة سكانية معينة.
يتم تنظيم النمو السكاني بطرق متنوعة. يتم تجميعها في عوامل تعتمد على الكثافة، حيث تؤثر كثافة السكان على معدل النمو والوفيات، وعوامل مستقلة عن الكثافة، والتي تسبب الوفيات في السكان بغض النظر عن الكثافة السكانية. يرغب علماء الأحياء البرية، على وجه الخصوص، في فهم كلا النوعين لأن هذا يساعدهم على إدارة السكان ومنع الانقراض أو الزيادة السكانية.
التنظيم المعتمد على الكثافة
معظم العوامل التي تعتمد على الكثافة بيولوجية بطبيعتها وتشمل الافتراس والمنافسة بين الأنواع وفيما بينها والطفيليات. عادة، كلما كان عدد السكان أكثر كثافة، كلما زاد معدل الوفيات. على سبيل المثال، أثناء المنافسة داخل الأنواع وفيما بينها، عادة ما تكون معدلات تكاثر الأنواع أقل، مما يقلل من معدل نمو سكانها. بالإضافة إلى ذلك، تؤدي كثافة الفرائس المنخفضة إلى زيادة معدل وفيات المفترس لأنها تواجه صعوبة أكبر في تحديد مصدر طعامها. أيضًا، عندما يكون السكان أكثر كثافة، تنتشر الأمراض بسرعة أكبر بين أفراد السكان، مما يؤثر على معدل الوفيات.
تمت دراسة التنظيم المعتمد على الكثافة في تجربة طبيعية على مجموعات الحمير البرية في موقعين في أستراليا. 1 في أحد المواقع، تم تقليل عدد السكان من خلال برنامج التحكم في السكان؛ ولم يتلق السكان في الموقع الآخر أي تدخل. كانت قطعة الأرض عالية الكثافة ضعف كثافة قطعة الأرض منخفضة الكثافة. من عام 1986 إلى عام 1987، لم تشهد قطعة الأرض ذات الكثافة السكانية العالية أي تغيير في كثافة الحمير، بينما شهدت قطعة الأرض منخفضة الكثافة زيادة في كثافة الحمير. كان الفرق في معدلات نمو المجموعتين بسبب الوفيات، وليس بسبب الاختلاف في معدلات المواليد. وجد الباحثون أن أعداد النسل التي تلدها كل أم لم تتأثر بالكثافة. كانت معدلات النمو في المجموعتين مختلفة في الغالب بسبب وفيات الأطفال الناجمة عن سوء تغذية الأم بسبب ندرة الغذاء عالي الجودة في السكان ذوي الكثافة السكانية العالية. \(\PageIndex{3}\)يوضح الشكل الفرق في الوفيات الخاصة بالعمر في المجموعتين.
التنظيم المستقل عن الكثافة والتفاعل مع العوامل التي تعتمد على الكثافة
تتسبب العديد من العوامل ذات الطبيعة الفيزيائية عادةً في وفاة السكان بغض النظر عن كثافتهم. تشمل هذه العوامل الطقس والكوارث الطبيعية والتلوث. سيُقتل غزال فردي في حريق غابة بغض النظر عن عدد الغزلان الموجودة في تلك المنطقة. فرص البقاء على قيد الحياة هي نفسها سواء كانت الكثافة السكانية عالية أو منخفضة. وينطبق الشيء نفسه على طقس الشتاء البارد.
في مواقف الحياة الواقعية، يكون تنظيم السكان معقدًا للغاية ويمكن أن تتفاعل العوامل المستقلة التي تعتمد على الكثافة. سيتمكن السكان ذوو الكثافة السكانية الذين يعانون من الوفيات لأسباب غير مرتبطة بالكثافة من التعافي بشكل مختلف عن عدد قليل من السكان. على سبيل المثال، ستتعافى مجموعة من الغزلان المتضررة من الشتاء القاسي بشكل أسرع إذا بقي المزيد من الغزلان للتكاثر.
التطور في العمل: لماذا انقرض الماموث الصوفي؟
بدأت الماموث الصوفي تنقرض منذ حوالي 10,000 عام، بعد فترة وجيزة من اعتقاد علماء الحفريات أن البشر القادرين على اصطيادها بدأوا في استعمار أمريكا الشمالية وشمال أوراسيا (الشكل\(\PageIndex{4}\)). نجت مجموعة ضخمة من السكان في جزيرة رانجل، في بحر سيبيريا الشرقي، وتم عزلهم عن الاتصال البشري حتى عام 1700 قبل الميلاد. نحن نعرف الكثير عن هذه الحيوانات من الجثث الموجودة متجمدة في جليد سيبيريا والمناطق الشمالية الأخرى.
يُعتقد عمومًا أن تغير المناخ والصيد البشري أدى إلى انقراضها. قدرت دراسة أجريت عام 2008 أن تغير المناخ قلل نطاق الماموث من 3,000,000 ميل مربع قبل 42,000 عام إلى 310,000 ميل مربع قبل 6000 عام. 2 من خلال الأدلة الأثرية لمواقع القتل، من الموثق جيدًا أيضًا أن البشر كانوا يصطادون هذه الحيوانات. خلصت دراسة أجريت عام 2012 إلى أنه لا يوجد عامل واحد مسؤول حصريًا عن انقراض هذه المخلوقات الرائعة. 3 بالإضافة إلى تغير المناخ وتقليل الموائل، أظهر العلماء عاملاً مهمًا آخر في انقراض الماموث وهو هجرة الصيادين عبر مضيق بيرينغ إلى أمريكا الشمالية خلال العصر الجليدي الأخير قبل 20,000 عام.
كان الحفاظ على السكان المستقرين وما زال معقدًا للغاية، مع وجود العديد من العوامل التفاعلية التي تحدد النتيجة. من المهم أن نتذكر أن البشر هم أيضًا جزء من الطبيعة. لقد ساهمنا ذات مرة في تدهور الأنواع باستخدام تقنية الصيد البدائية فقط.
نماذج سكانية قائمة على أساس ديموغرافي
افترض علماء البيئة السكانية أن مجموعات الخصائص قد تتطور في الأنواع التي تؤدي إلى تكيفات خاصة مع بيئاتها. تؤثر هذه التعديلات على نوع النمو السكاني الذي تختبره الأنواع. تتطور خصائص تاريخ الحياة مثل معدلات المواليد والعمر عند التكاثر الأول وأعداد النسل وحتى معدلات الوفيات تمامًا مثل علم التشريح أو السلوك، مما يؤدي إلى تكيفات تؤثر على النمو السكاني. وصف علماء البيئة السكانية سلسلة متصلة من «استراتيجيات» تاريخ الحياة مع الأنواع المختارة من K من جهة والأنواع المختارة من جهة أخرى. تتكيف الأنواع المختارة من K مع البيئات المستقرة والتي يمكن التنبؤ بها. تميل مجموعات الأنواع المختارة من K إلى الوجود بالقرب من قدرتها الاستيعابية. تميل هذه الأنواع إلى أن يكون لها ذرية أكبر ولكن أقل وتساهم بكميات كبيرة من الموارد لكل نسل. ستكون الفيلة مثالاً على الأنواع المختارة من K. r -يتم تكييف الأنواع المختارة مع البيئات غير المستقرة وغير المتوقعة. لديهم أعداد كبيرة من النسل الصغير. لا توفر الحيوانات المختارة r - الكثير من الموارد أو الرعاية الأبوية للنسل، كما أن النسل يتمتع بالاكتفاء الذاتي نسبيًا عند الولادة. ومن أمثلة الأنواع المختارة اللافقاريات البحرية مثل قناديل البحر والنباتات مثل الهندباء. تقع الاستراتيجيتان المتطرفتان على طرفي سلسلة متصلة ستوجد عليها تواريخ حياة الأنواع الحقيقية. بالإضافة إلى ذلك، لا تحتاج استراتيجيات تاريخ الحياة إلى التطور كأجنحة، ولكن يمكن أن تتطور بشكل مستقل عن بعضها البعض، لذلك قد يكون لكل نوع بعض الخصائص التي تتجه نحو طرف أو آخر.
ملخص القسم
ينمو عدد السكان ذوي الموارد غير المحدودة بشكل كبير - بمعدل نمو متسارع. عندما تصبح الموارد محدودة، يتبع السكان منحنى النمو اللوجستي الذي يستقر فيه حجم السكان عند القدرة الاستيعابية.
يتم تنظيم السكان من خلال مجموعة متنوعة من العوامل التي تعتمد على الكثافة والمستقلة عن الكثافة. خصائص تاريخ الحياة، مثل العمر عند التكاثر الأول أو أعداد النسل، هي خصائص تتطور في المجموعات السكانية تمامًا كما يمكن أن يتطور التشريح أو السلوك بمرور الوقت. يشير نموذج اختيار r - و K إلى أن الشخصيات، وربما مجموعات الشخصيات، قد تطور تكيفات مع استقرار السكان بالقرب من القدرة الاستيعابية (K -selection) أو النمو السكاني السريع والانهيار (r -selection). ستظهر الأنواع تكيفات في مكان ما على سلسلة متصلة بين هذين النقيضين.
تمرين فني
الشكل\(\PageIndex{2}\): إذا انخفض مصدر الغذاء الرئيسي للأختام بسبب التلوث أو الصيد الجائر، أي مما يلي من المحتمل أن يحدث؟
- ستنخفض القدرة الاستيعابية للأختام، وكذلك عدد الفقمات.
- ستنخفض القدرة الاستيعابية للأختام، لكن عدد الفقمات سيظل كما هو.
- سيزداد عدد وفيات الفقمة، لكن عدد الولادات سيزداد أيضًا، لذلك سيظل حجم السكان كما هو.
- ستبقى القدرة الاستيعابية للأختام كما هي، لكن عدد الفقمات سينخفض.
- إجابة
-
ج: ستنخفض القدرة الاستيعابية للأختام، وكذلك عدد الفقمات.
الحواشي
- 1 ديفيد تشوكينوت، «النمو المعتمد على الكثافة وحالة الجسم والديموغرافيا في الحمير الوحشية: اختبار فرضية الغذاء»، علم البيئة 72، رقم 3 (يونيو 1991): 805—813.
- 2 ديفيد نوغيس-برافو وآخرون.، «تغير المناخ والبشر وانقراض الماموث الصوفي». بلوس بيل 6 (أبريل 2008): 79، الرقم: 10.1371/journal.pbio.0060079.
- 3 جي إم ماكدونالد وآخرون، «نمط انقراض الماموث الصوفي في بيرينجيا». نيتشر كوميونيكيشنز 3، رقم 893 (يونيو 2012)، الرقم: 10.1038/ncomms1881.
مسرد المصطلحات
- معدل المواليد
- عدد الولادات بين السكان في نقطة زمنية محددة
- القدرة الاستيعابية
- الحد الأقصى لعدد الأفراد من السكان الذين يمكن دعمهم من خلال الموارد المحدودة للموئل
- معدل الوفيات
- عدد الوفيات بين السكان في نقطة زمنية محددة
- تنظيم يعتمد على الكثافة
- تنظيم السكان حيث تعتمد معدلات المواليد والوفيات على حجم السكان
- تنظيم مستقل عن الكثافة
- تنظيم السكان الذي يكون فيه معدل الوفيات مستقلاً عن حجم السكان
- نمو أسي
- نمط نمو متسارع يظهر في السكان حيث الموارد غير محدودة
- مسابقة داخل محددة
- المنافسة بين أعضاء من نفس النوع
- منحنى نمو على شكل J
- شكل منحنى النمو الأسي
- أنواع مختارة من K
- نوع مناسب للبيئات المستقرة التي تنتج عددًا قليلاً من النسل الكبير نسبيًا وتوفر الرعاية الأبوية
- نمو لوجستي
- استقرار النمو المتسارع بسبب الموارد المحدودة
- أو الأنواع المختارة
- نوع مناسب للبيئات المتغيرة التي تنتج العديد من النسل وتوفر رعاية أبوية قليلة أو معدومة
- منحنى نمو على شكل حرف S
- شكل منحنى النمو اللوجستي
- نمو سكاني صفري
- حجم السكان الثابت حيث تتساوى معدلات المواليد ومعدلات الوفيات