Популации
🦌 През 1944 г. американската брегова охрана пуска 29 северни елена на остров Св. Матей – пуст остров в Берингово море, покрит с дебел килим от . Вълци няма, ловци няма. През 1957 г. елените са около 1350, а през 1963 г. – около 6000. После идва тежката зима на 1963/64 г. Когато биологът Дейвид Клайн се връща на острова през 1966 г., намира само 42 живи елена – 41 женски и един мъжки, – а лишеите почти ги няма. Защо една популация расте толкова бързо – и защо понякога се срива?
1. Какво е популация
Сърните в една гора, в епруветка, буковете на един склон, хората в една държава – това са популации. В уроците за естествения отбор популацията е мястото, където се менят . В ни интересува колко са индивидите, как са разпределени и как броят им се мени с времето.
Популация
Числеността N е броят на индивидите, а плътността – броят на единица площ или обем (например 12 сърни на km² или 3 дафнии в литър вода). Пространственото разпределение може да е равномерно (гнездата на пингвините – всяка птица държи съседите на един клюн разстояние), случайно (глухарчетата, чиито разнася вятърът) или групово – най-честото, защото храната, водата и подслонът са на петна, а много животни живеят на стада и колонии.
2. Как се преброява популация
Рядко можем да преброим всички. Растенията и бавните животни се броят в пробни площадки – например рамки от 1 m², хвърлени случайно по ливадата. Средният брой в една площадка е плътността, а умножена по цялата площ, тя дава оценка за числеността. Подвижните животни се броят по друг начин.
Маркиране и повторно улавяне (Линкълн–Петерсен)
N ≈ M · C / R = 80 · 80 / 14 = 457
R = 14: делът на маркираните в улова (14/80) е приблизително равен на дела им в езерото (80/N).
💡 Първо уловихме M риби, маркирахме ги и ги пуснахме. След като се смесят с останалите, улавяме C риби и броим маркираните сред тях – R. Ако всяка риба има еднакъв шанс да попадне в мрежата, R/C ≈ M/N, откъдето N ≈ MC/R. Натискай „ново второ улавяне“ и гледай как оценките се разпиляват около истинската стойност – по-малко, когато R е голямо. Методът предполага затворена популация (никой не се ражда, не умира, не идва и не си тръгва между двете улавяния), трайни маркировки и маркирани животни, които се държат като немаркираните. Опитай и двата режима, в които това не е така.
Методът работи, ако популацията е затворена между двете улавяния (никой не се ражда, не умира, не идва и не си тръгва), маркировките не се губят и не пречат на животното, а маркираните се улавят толкова лесно, колкото и останалите. Ако маркираните се научат да избягват капаните, R е твърде малко и оценката е завишена; ако пък свикнат със стръвта – занижена.
Пример
В 10 пробни площадки по 1 m² броят на охлювите е 0, 5, 1, 0, 8, 0, 2, 6, 0 и 3. Как са разпределени охлювите?
- Средно: охлюва на m².
- Дисперсия: .
- При случайно разпределение (разпределение на Поасон) ; при равномерно ; при групово .
- – охлювите са групово разпределени (вероятно там, където е по-влажно).
3. Раждаемост, смъртност и експоненциален растеж
Числеността се мени по четири пътя: индивидите се раждат (B) и умират (D), идват отвън – имиграция (I) – и си тръгват – емиграция (E):
Делим ражданията и смъртните случаи на числеността и получаваме раждаемостта b и смъртността d на индивид за единица време. Разликата е скоростта на нарастване на един индивид. Докато храната и мястото не свършват, r е постоянно и популацията расте – колкото повече индивиди, толкова повече нови. Същия растеж видяхме при бактериите в Микроорганизми, а математиката му е в Диференциални уравнения.
Експоненциален растеж
Най-голямото r, което видът може да постигне при идеални условия, е неговият биотичен потенциал. Той е огромен: една бактерия, която се дели на 20 минути, би дала за два дни маса, по-голяма от Земята. Дарвин пресмята, че дори при слона – едно от най-бавно размножаващите се животни – от една двойка след около 750 години биха произлезли близо 19 милиона слона. В природата това никога не става: съпротивлението на средата – недостигът на храна, хищниците, болестите – рано или късно спира растежа.
4. Капацитет на средата и логистичен растеж
Колкото по-гъста е популацията, толкова по-малко храна и място има за всеки, по-лесно се предават болестите и по-често хищниците намират плячка. Раждаемостта пада, смъртността расте и растежът се забавя. Най-голямата численост, която средата може да поддържа дълго, е капацитетът на средата K. Най-простият модел, който го отчита, е (Верхулст, 1838 г.).
Логистичен растеж
dN/dt = rN(1 − N/K) · максимум при N = K/2: r·K/4 = 0,50 · 800 / 4 = 100
Двете криви вървят заедно, докато N ≪ K. Експоненциалната стига K = 800 за 8,8 години и продължава нагоре; логистичната расте най-бързо при K/2 и се изравнява.
💡 r е вътрешната скорост на нарастване (на година, на индивид), K – капацитетът на средата. Плъзгачът „улов“ вади всяка година по H индивида (риболов, лов, сеч). τ е закъснението, с което гъстотата се отразява на размножаването – например младите, заченати в гладна година, се раждат след месеци. Моделът е детерминиран и непрекъснат; истинските популации имат и случайни колебания.
Факторите, които спират растежа, са два вида. Зависещите от плътността действат толкова по-силно, колкото повече са индивидите: вътревидова конкуренция за храна, вода, светлина и гнездови места, хищници, и заразни болести (виж в Имунитет). Те държат популацията близо до K. Независещите от плътността – слана, суша, наводнение, пожар – убиват еднакъв дял от индивидите, колкото и да са те, и затова често предизвикват резки скокове и сривове. Кой от многото фактори ограничава растежа в даден момент, е – същото понятие като при фотосинтезата.
Реалните популации рядко стоят точно на K. Ако гъстотата се отразява на размножаването със закъснение – елените на Св. Матей изяждат лишеите, които растат с десетилетия, – популацията надхвърля K и после се срива. А при твърде малко индивиди растежът също може да е отрицателен – трудно се намира партньор и групата не може да се защити (ефект на Али). Това прави малките популации особено уязвими: смята се, че е една от причините скитащият гълъб в Северна Америка, броял някога милиарди, да изчезне напълно до 1914 г.
Пример
Популация расте логистично с r = 0,5 на година и K = 800. Колко е приръстът при N = 200 и при N = 400?
- При : на година.
- При : на година – най-големият възможен приръст ().
- При приръстът пак е 75 – кривата на приръста е парабола, симетрична около K/2.
5. Стратегии, оцеляване и възрастова структура
Видовете „решават“ различно как да вложат енергията си. Едни правят много малки потомци и не се грижат за тях – залагат на бързото нарастване (голямо r). Други правят малко, но големи потомци, грижат се дълго за тях и живеят близо до капацитета на средата (K). Това разделение (Макартър и Уилсън, 1967 г.) е опростено – повечето видове са някъде между двата края.
| r-стратези | K-стратези | |
|---|---|---|
| примери | бактерии, мухи, мишки, едногодишни плевели | слонове, китове, човекоподобни маймуни, орли |
| потомци | много, малки, без грижи | малко, големи, дълги грижи |
| съзряване и живот | бързо, кратък живот | бавно, дълъг живот |
| численост | силно колебаеща се, далеч под K | стабилна, близо до K |
| среда | непостоянна, нови местообитания | стабилна, гъсто населена |
Колко от новородените доживяват до всяка възраст, показва кривата на оцеляване. Тип I – почти всички доживяват до старост и умират накуп (хора в развитите страни, слонове). Тип II – всяка година умира приблизително един и същ дял (много птици, хидрата). Тип III – огромна смъртност в началото и малко оцелели, които живеят дълго (стриди, треска, много дървета). Една треска хвърля милиони яйца, а до зрялост стигат само няколко.
Възрастовата пирамида показва колко индивиди има във всяка възрастова група (мъжете отляво, жените отдясно). Широката основа означава много млади и бърз растеж (Нигер, Ангола), почти правите стени – стабилна популация, а тясната основа – намаляваща и застаряваща (Япония, България).
6. Хищник и жертва
Компанията „Хъдсън Бей“ изкупува кожи от канадските трапери почти сто години. Броят на кожите на рисове и на зайци-беляци се люлее с период около 10 години, като пиковете на рисовете идват година-две след тези на зайците. През 1925–1926 г. Алфред Лотка и Вито Волтера независимо един от друг написват най-простия модел, който дава такива цикли.
Модел на Лотка–Волтера
dH/dt = αH − βHP · dP/dt = δHP − γP
Без ограничение за зайците цикълът се повтаря безкрай: пикът на рисовете идва след пика на зайците. Период ≈ 9,2 години при малки колебания.
💡 α – раждаемостта на зайците, γ – смъртността на рисовете без храна; β = 0,028 и δ = 0,026 показват колко често срещата завършва с изяден заек и колко нови риса „струва“ един изяден заек. Стойностите са близки до често цитирани оценки по кожите, изкупувани от компанията „Хъдсън Бей“, но реалните цикли зависят и от храната на зайците, болести и други хищници. Вдясно е фазовата равнина: всяка точка е двойката (H, P) в един момент, а при модела без капацитет траекторията е затворена крива около равновесието.
Механизмът е прост: много зайци → рисовете се хранят добре и се множат → зайците намаляват → рисовете гладуват и измират → зайците се възстановяват. Изненадващо следствие от модела: ако зайците започнат да се размножават по-бързо (α расте), равновесният брой на зайците не се променя – повече стават рисовете ().
В лабораторията руският биолог Георгий Гаузе (1934 г.) пуска хищната инфузория дидиниум при чехълчета. В обикновена епруветка дидиниумите изяждат всички чехълчета и после сами измират от глад. Цикли се получават само когато чехълчетата имат къде да се скрият или Гаузе периодично добавя нови. В природата също нещата са по-сложни: в дългогодишен опит в Юкон (Канада) най-голямо увеличение на зайците има, когато едновременно се махнат хищниците и се добави храна – цикълът зависи и от храната на зайците, не само от рисовете.
7. Човешката популация
Хората стават 1 милиард около 1804 г., 2 милиарда – през 1927 г., а 8 милиарда – през ноември 2022 г. (по оценка на ООН). Най-бързо човечеството расте в началото на 60-те години – около 2 % на година; днес растежът е под 1 % и продължава да пада. Според прогнозата на ООН от 2024 г. хората ще достигнат около 10,3 милиарда към средата на 80-те години и после ще започнат бавно да намаляват – но прогнозите за толкова далечно бъдеще са несигурни.
Промяната следва демографския преход: първо и раждаемостта, и смъртността са високи; после смъртността пада (храна, хигиена, ) и населението расте бързо; след това пада и раждаемостта, и растежът спира. България е в последния етап: населението ѝ е около 8,95 милиона при преброяването през 1985 г. и около 6,52 милиона през 2021 г. – поради ниската раждаемост, сравнително високата смъртност и емиграцията.
8. Тренажор
Маркиране и повторно улавяне, пробни площадки, баланс на числеността, удвояване, логистичен приръст, равновесие хищник–жертва и максимален устойчив улов.
В 10 пробни площадки по 1 m² са преброени общо 118 глухарчета. Колко глухарчета има в цялата ливада от 1 ha (1 ha = 10 000 m²)?
9. Популациите в числа
🦌 Северните елени на остров Св. Матей
През 1944 г. на остров Св. Матей в Берингово море са пуснати 29 северни елена, а през 1963 г. там са преброени около 6000. Със средно колко процента на година е растяла популацията? За колко години се е удвоявала?
🐟 Шарани в язовир
Ихтиолози улавят 60 шарана, маркират ги и ги пускат. След седмица улавят 50, от които 6 са маркирани. Колко шарана има в язовира според формулата на Линкълн–Петерсен? А според поправката на Чапман?
🌼 Глухарчета на ливадата
В 10 случайно хвърлени пробни площадки по 1 m² са преброени общо 64 глухарчета. Каква е плътността на популацията? Колко глухарчета има на ливада от 2 ha?
🎣 Колко риба да ловим?
Рибен запас расте логистично с r = 0,4 на година и капацитет K = 50 000 t. Колко най-много тона може да се улавят всяка година, без запасът да намалява? При какъв запас трябва да се държи?
🌍 Осем милиарда
През 2022 г. хората станаха 8 милиарда, а растежът беше около 0,9 % на година. За колко години би се удвоило човечеството при такъв растеж? А при 2,1 % на година, колкото беше в началото на 60-те?
🐇 Зайци и рисове
В модела на Лотка–Волтера за зайци и рисове (в хиляди) α = 0,55, β = 0,028, γ = 0,84 и δ = 0,026 (на година). Колко зайци и колко риса има в равновесие?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
10. ⚠️ Чести грешки
Популация и вид
✗ Всички зайци по света са една популация.
✓ Видът се състои от много популации, разделени в пространството; популацията е локалната група, в която индивидите се срещат и кръстосват.
Численост и плътност
✗ Голяма популация значи гъста популация.
✓ Числеността е броят, а плътността – броят на единица площ. Хиляда мечки в Карпатите са голяма, но рядка популация.
Капацитетът
✗ K е най-голямата численост, която популацията някога достига.
✓ K е числеността, която средата може да поддържа дълго. Популацията може временно да го надхвърли – и после да се срине.
Максимален приръст
✗ Популацията расте най-бързо, когато е най-голяма.
✓ При логистичния растеж приръстът е най-голям при N = K/2; при N близо до K той е почти нула.
Маркиране
✗ Колкото повече маркирани уловим, толкова повече са животните.
✓ Обратно: много маркирани в улова (голямо R) значи малка популация – N ≈ MC/R.
Хищници
✗ Хищниците унищожават жертвите си.
✓ Обикновено хищниците регулират жертвите и сами зависят от тях: когато жертвите намалеят, гладуват и хищниците.
11. 🎯 Бърз тест
Кое е популация?
12. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
13. Обобщение
- ✓ Популация – индивиди от един вид на една територия, които се кръстосват; има численост, плътност, разпределение, структура
- ✓ Пространствено разпределение: равномерно, случайно, групово (най-често); при пробни площадки е под, около или над 1
- ✓ Маркиране и повторно улавяне: (Линкълн–Петерсен); при малко R – поправката на Чапман
- ✓ ; експоненциален растеж , удвояване за
- ✓ Логистичен растеж : S-крива, най-бърз при K/2, максимален устойчив улов rK/4
- ✓ Фактори, зависещи от плътността (, хищници, болести) и независещи (време, бедствия)
- ✓ r- и K-стратези; криви на оцеляване тип I, II, III; възрастови пирамиди
- ✓ Лотка–Волтера: , ; хищниците изостават от жертвите
- ✓ Демографски преход; човечеството – 8 милиарда (2022 г.), растежът се забавя
💡 Интересен факт
Методът с маркирането е измислен от рибари. През 1890-те години датският биолог Карл Петерсен закачва малки маркировки на писиите, за да проследи как се движат, и забелязва, че от дела на маркираните в улова може да се пресметне колко са рибите. През 1930 г. американецът Фредерик Линкълн прилага същата идея за дивите патици – по пръстените, върнати от ловците. Днес на същата идея се основават преброяванията на китове (по снимки на опашките), тигри (по шарките от фотокапани) и дори на бездомните хора в големите градове.