Sinh thái học quần thể là một phân khu của sinh thái học đề cập đến các động thái của các quần thể của các loài và cách các quần thể này tương tác với môi trường. Nó là nghiên cứu về kích thước quần thể của các loài thay đổi như thế nào theo thời gian và không gian. Thuật ngữ này thường được sử dụng thay thế cho sinh học dân số hoặc động thái dân số. Ông cũng thường mô tả các kiểu đấu tranh cho sự tồn tại. Do chọn lọc tự nhiên, số lượng cá thể thích nghi tối đa tăng lên.
Trong sinh học, quần thể là mức độ phân bố của một loài cụ thể hoặc một số đại diện nhất định của nó sống trong một khu vực.
Lịch sử
Tất cả bắt đầu như thế nào? Sự phát triển của sinh thái dân số phần lớn liên quan đến nhân khẩu học và các bảng hiện tại của cuộc sống. Phần này rất quan trọng trong điều kiện môi trường hiện nay.
Sinh thái quần thể rất quan trọng trong sinh học bảo tồn, đặc biệt là khiphát triển một phân tích khả năng sống của quần thể (PVA) dự đoán khả năng tồn tại lâu dài của một loài trong một môi trường sống nhất định. Mặc dù hệ sinh thái này là một phân loài của sinh học, nhưng nó lại đưa ra những vấn đề thú vị đối với các nhà toán học và thống kê làm việc trong lĩnh vực động lực học dân số. Trong sinh học, dân số là một trong những thuật ngữ trung tâm.
Mô hình
Giống như bất kỳ khoa học nào, sinh thái học sử dụng các mô hình. Các mô hình đơn giản hóa về thay đổi dân số thường bắt đầu với bốn biến chính (bốn quá trình nhân khẩu học), bao gồm tử, sinh, nhập cư và di cư. Các mô hình toán học được sử dụng để tính toán những thay đổi trong tình hình nhân khẩu học và sự tiến hóa dân số giả sử không có ảnh hưởng bên ngoài. Các mô hình có thể phức tạp hơn về mặt toán học khi “… một số giả thuyết cạnh tranh va chạm với dữ liệu cùng một lúc.”
Bất kỳ mô hình phát triển dân số nào cũng có thể được sử dụng để tính toán một số thuộc tính của quần thể hình học. Quần thể có kích thước tăng dần về mặt hình học là quần thể mà các thế hệ sinh sản không trùng nhau. Trong mỗi thế hệ, có một kích thước quần thể (và lãnh thổ) hữu hiệu, được ký hiệu là Ne, là số lượng cá thể trong quần thể có thể và sẽ sinh sản trong bất kỳ thế hệ sinh sản nào. Điều gì gây ra mối quan tâm.
Lý thuyết lựa chọn r / K
Một khái niệm quan trọng trong sinh thái học quần thể là lý thuyết chọn lọc r / K. Biến đầu tiên là r (tỷ lệ gia tăng tự nhiên nội bộkích thước quần thể, nó không phụ thuộc vào mật độ), và biến thứ hai là K (khả năng mang của quần thể, phụ thuộc vào mật độ). Các mối quan hệ nội bộ đóng một vai trò nhất định trong việc này.
Các loài được chọn R (ví dụ nhiều loài côn trùng như rệp) là loài có tỷ lệ sinh sản cao, đầu tư của bố mẹ vào cá con thấp và tỷ lệ tử vong cao trước khi cá thể trưởng thành. Tiến hóa thúc đẩy năng suất ở các loài được chọn lọc. Ngược lại, các loài được chọn lọc K (chẳng hạn như con người) có tỷ lệ sinh sản thấp, mức độ đầu tư của cha mẹ cao khi còn nhỏ và tỷ lệ tử vong thấp khi các cá thể trưởng thành.
Tiến hóa ở các loài được K chọn lọc thúc đẩy hiệu quả trong việc biến nhiều tài nguyên hơn thành ít con cái hơn. Kết quả của các mối quan hệ giữa các loài không hiệu quả, những con cháu này có thể bị tuyệt chủng, trở thành những đại diện cuối cùng trong quần thể của chúng.
Lịch sử của lý thuyết
Thuật ngữ chọn lọc r / K được đặt ra bởi các nhà sinh thái học Robert MacArthur và E. O. Wilson vào năm 1967 dựa trên nghiên cứu của họ về địa lý sinh vật đảo. Lý thuyết này giúp chúng ta có thể xác định các nguyên nhân gây ra biến động dân số.
Lý thuyết này phổ biến vào những năm 1970 và 1980 khi nó được sử dụng như một thiết bị heuristic, nhưng không còn được ưa chuộng vào đầu những năm 1990 khi nó bị chỉ trích bởi một số nghiên cứu thực nghiệm. Mô hình lịch sử cuộc sống đã thay thế mô hình lựa chọn r / K, nhưng vẫn tiếp tục bao gồm nhiều chủ đề quan trọng của nó. Sự thèm muốn sinh sản là chínhđộng lực của sự tiến hóa, vì vậy lý thuyết này cực kỳ hữu ích cho việc nghiên cứu của nó.
Do đó, các loài được chọn r là những loài nhấn mạnh tốc độ tăng trưởng cao, có xu hướng khai thác các hốc sinh thái ít đông đúc hơn và sinh ra nhiều con, mỗi con có xác suất sống sót đến tuổi trưởng thành tương đối thấp (tức là r cao, thấp K). Một loài điển hình của r là bồ công anh (chi Taraxacum).
Trong môi trường không ổn định hoặc không thể đoán trước, sự chọn lọc r chiếm ưu thế do khả năng nhân lên nhanh chóng. Có rất ít lợi thế trong việc thích nghi cho phép nó cạnh tranh thành công với các sinh vật khác vì môi trường có khả năng thay đổi một lần nữa. Các đặc điểm được cho là đặc trưng của chọn lọc r bao gồm: khả năng sinh sản cao, kích thước cơ thể nhỏ, bắt đầu trưởng thành sớm, thời gian thế hệ ngắn và khả năng phân tán rộng rãi thế hệ con cái.
Những sinh vật có lịch sử cuộc đời trải qua quá trình chọn lọc r thường được gọi là nhà chiến lược r. Các sinh vật biểu hiện các đặc điểm được chọn lọc r có thể bao gồm từ vi khuẩn và tảo cát đến côn trùng và cỏ, cũng như các loài động vật có vú và động vật có vú nhỏ bảy thùy khác nhau, đặc biệt là động vật gặm nhấm. Lý thuyết vi phân K có mối liên hệ gián tiếp với quá trình chọn lọc tự nhiên của động vật.
Lựa chọn loài
Các loài được chọn lọc K thể hiện các đặc điểm liên quan đến việc sống gần với mật độ khả năng mang theo và có xu hướng trở thành đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ trong các hốc đông đúc vốn đầu tư nhiều hơn vào ít hơnsố lượng con cái. Mỗi con đều có xác suất sống sót đến tuổi trưởng thành tương đối cao (tức là r thấp, k cao). Trong các tài liệu khoa học, các loài được chọn lọc r đôi khi được gọi là "cơ hội", trong khi các loài được chọn lọc K được mô tả là "trạng thái cân bằng".
Trong các điều kiện ổn định hoặc có thể dự đoán được, chọn lọc K chiếm ưu thế, vì khả năng cạnh tranh thành công các nguồn tài nguyên hạn chế là rất quan trọng và các quần thể sinh vật được chọn lọc K thường có số lượng rất ổn định và gần với mức tối đa mà môi trường có thể ủng hộ. Ngược lại với r-select, nơi quy mô dân số có thể thay đổi nhanh hơn nhiều. Số lượng thấp dẫn đến loạn luân, là một trong những nguyên nhân gây ra đột biến.
Đặc điểm
Các đặc điểm được cho là đặc trưng của chọn lọc K bao gồm kích thước cơ thể lớn, tuổi thọ cao và sinh ra ít con hơn, thường đòi hỏi sự chăm sóc cẩn thận của cha mẹ cho đến khi chúng trưởng thành. Các sinh vật có lịch sử cuộc đời được K chọn lọc thường được gọi là K-chiến lược gia hoặc K-chọn lọc. Các sinh vật có các đặc điểm được chọn lọc K bao gồm các sinh vật lớn như voi, người và cá voi, cũng như các sinh vật nhỏ hơn, sống lâu hơn như nhạn biển Bắc Cực, vẹt và đại bàng. Sự gia tăng dân số là một trong những cuộc đấu tranh để tồn tại.
Phân loại sinh vật
Mặc dù một số sinh vật được xác định chủ yếu là chiến lược gia r- hoặc K, hầu hết các sinh vật không tuân theo mô hình này. Ví dụ, cây có các đặc điểm nhưtuổi thọ và khả năng cạnh tranh cao đặc trưng của họ là K-chiến lược gia. Tuy nhiên, khi nhân giống, cây cối thường sinh ra hàng nghìn con và phân tán chúng rộng rãi, đây là điều điển hình của các chiến lược gia r.
Tương tự, các loài bò sát như rùa biển có cả đặc điểm r và k: mặc dù rùa biển là sinh vật lớn có tuổi thọ cao (miễn là chúng đến tuổi trưởng thành), chúng sinh ra một số lượng lớn con cái không được chú ý.
Biểu thức khác
Sự phân đôi r / K có thể được biểu diễn lại dưới dạng phổ liên tục bằng cách sử dụng khái niệm kinh tế về lợi nhuận chiết khấu trong tương lai với lựa chọn r tương ứng với tỷ lệ chiết khấu lớn và lựa chọn K tương ứng với tỷ lệ chiết khấu nhỏ.
Ở những khu vực có môi trường bị xáo trộn hoặc khử trùng nghiêm trọng (ví dụ sau một vụ phun trào núi lửa lớn, chẳng hạn như Krakatoa hoặc Núi St. Helens), các nhà chiến lược r- và K đóng những vai trò khác nhau trong chuỗi sinh thái phục hồi hệ sinh thái. Do tỷ lệ sinh sản cao hơn và cơ hội sinh thái của chúng, những người khai hoang sơ cấp có xu hướng trở thành những nhà chiến lược và kéo theo đó là một chuỗi cạnh tranh ngày càng tăng giữa đời sống thực vật và động vật. Khả năng của môi trường trong việc tăng hàm lượng năng lượng thông qua quá trình quang hợp thu năng lượng mặt trời tăng lên cùng với sự đa dạng sinh học phức tạp ngày càng tăng do các loài r sinh sôi đến mức tối đa có thểsử dụng các chiến lược K.
Cân bằng mới
Cuối cùng, một trạng thái cân bằng mới (đôi khi được gọi là cộng đồng đỉnh cao) xuất hiện khi các nhà chiến lược r dần được thay thế bằng các nhà chiến lược K, những người có khả năng cạnh tranh cao hơn và thích nghi tốt hơn với những thay đổi cảnh quan vi sinh đang nổi lên. Theo truyền thống, đa dạng sinh học được coi là tối đa ở giai đoạn này với sự xuất hiện của các loài mới, dẫn đến sự thay thế và tuyệt chủng cục bộ của các loài đặc hữu. Tuy nhiên, giả thuyết xáo trộn trung gian nói rằng các mức độ xáo trộn trung gian trong cảnh quan tạo ra các mảng ở các mức độ kế tiếp nhau, tạo điều kiện cho sự chung sống của những người khai hoang và đối thủ cạnh tranh trên quy mô khu vực.
Mặc dù thường được áp dụng ở cấp độ loài, lý thuyết chọn lọc r / K cũng rất hữu ích để nghiên cứu sự tiến hóa của sự khác biệt về sinh thái và đời sống giữa các loài phụ. Ví dụ, loài ong mật châu Phi A. m. scutellata và ong Ý A. m. ligustica. Ở đầu kia của quy mô, nó cũng đã được sử dụng để nghiên cứu sinh thái học tiến hóa của toàn bộ các nhóm sinh vật như thực khuẩn.
Nghiên cứu ý kiến
Một số nhà nghiên cứu như Lee Ellis, J. Philip Rushton và Aurelio Jose Figueredo đã áp dụng lý thuyết lựa chọn r / K cho các hành vi khác nhau của con người, bao gồm phạm pháp, lăng nhăng tình dục, khả năng sinh sản và các đặc điểm khác liên quan đến lý thuyết lịch sử cuộc đời. Công việc của Rushton đã khiến ông phát triển "lý thuyết K vi phân" để cố gắng giải thích nhiều sự khác biệt trong hành vi của con người giữa các khu vực địa lý. Và lý thuyết này đã bị chỉ trích bởi nhiều nhà nghiên cứu khác. Sau đó, đề xuất rằng sự tiến triển của các phản ứng viêm ở người có liên quan đến việc lựa chọn r / K.
Mặc dù lý thuyết lựa chọn r / K bắt đầu được sử dụng rộng rãi vào những năm 1970, nhưng nó cũng ngày càng được chú ý. Đặc biệt, một bài đánh giá của nhà sinh thái học Stephen S. Stearns đã thu hút sự chú ý đến những lỗ hổng trong lý thuyết và sự mơ hồ trong cách giải thích dữ liệu thực nghiệm để kiểm tra nó.
Nghiên cứu thêm
Năm 1981, đánh giá tài liệu về chọn lọc r / K năm 1981 của Parry cho thấy không có sự thống nhất giữa các nhà nghiên cứu sử dụng lý thuyết xác định chọn lọc r và K, khiến ông đặt câu hỏi về giả định về mối quan hệ giữa sinh sản chi phí. chức năng.
Một nghiên cứu của Templeton và Johnson vào năm 1982 đã chỉ ra rằng trong một quần thể của Drosophila Mercatorum (một phân loài của ruồi) chịu sự chọn lọc K, nó thực sự tạo ra một tần số cao hơn các đặc điểm thường liên quan đến chọn lọc r. Một số nghiên cứu khác trái ngược với dự đoán của lý thuyết lựa chọn r / K cũng được công bố từ năm 1977 đến năm 1994.
Khi Stearns xem xét tình trạng của một lý thuyết vào năm 1992, ông lưu ý rằng từ năm 1977 đến năm 1982, dịch vụ tìm kiếm tài liệu BIOSIS trung bình có 42 trích dẫn lý thuyết mỗi năm, nhưng từ năm 1984 đến 1989 mức trung bình giảm xuống còn 16 lần mỗi năm. và tiếp tục giảm. Ông kết luận rằng lý thuyết r / K đã từng là một kinh nghiệm hữu ích không còn phục vụ mục đích trong lý thuyết lịch sử cuộc sống.
Gần đây nhất là lý thuyết vô chính phủ về khả năng thích ứngkhả năng và khả năng phục hồi do S. S. Holling và Lance Gunderson thúc đẩy đã làm sống lại mối quan tâm đến lý thuyết và đang sử dụng nó như một cách để tích hợp các hệ thống xã hội, kinh tế và sinh thái.
Hệ sinh thái hoán dụ
Hệ sinh thái mô phỏng là một mô hình đơn giản hóa cảnh quan thành các khu vực có mức chất lượng khác nhau. Những người di cư di chuyển giữa các địa điểm được cấu trúc trong các quần thể ẩn náu dưới dạng nguồn gốc hoặc điểm chìm. Theo thuật ngữ siêu mô phỏng, có những người di cư (những cá nhân rời khỏi trang web) và những người nhập cư (những cá nhân chuyển đến trang web).
Mô hình siêu mô phỏng kiểm tra động lực của địa điểm theo thời gian để trả lời các câu hỏi về sinh thái không gian và nhân khẩu học. Một khái niệm quan trọng trong hệ sinh thái siêu dân cư là hiệu ứng giải cứu, trong đó những mảng nhỏ có chất lượng thấp hơn (tức là chìm) được duy trì bởi một làn sóng nhập cư mới theo mùa.
Cấu trúc của quá trình biến đổi phát triển từ năm này sang năm khác, trong đó một số địa điểm chìm xuống, chẳng hạn như những năm khô hạn, và trở thành suối khi điều kiện thuận lợi hơn. Các nhà sinh thái học sử dụng hỗn hợp các mô hình máy tính và các nghiên cứu thực địa để giải thích cấu trúc siêu mô phỏng. Cấu trúc tuổi của quần thể là sự hiện diện của các đại diện của các độ tuổi nhất định trong một quần thể.
Autoecology
Thuật ngữ tự động học cũ hơn (từ tiếng Hy Lạp: αὐτο, auto, "self"; οίκος, oikos, "hộ gia đình" và λόγος, biểu trưng, "kiến thức"), đề cập đếnđại khái trong cùng một lĩnh vực nghiên cứu như sinh thái của quần thể. Nó bắt nguồn từ việc phân chia sinh thái học thành tự sinh học - nghiên cứu các loài cá thể trong mối quan hệ với môi trường - và sinh thái học - nghiên cứu các nhóm sinh vật trong mối quan hệ với môi trường - hoặc sinh thái cộng đồng. Odum (một nhà sinh vật học người Mỹ) tin rằng sinh thái học nên được chia thành sinh thái quần thể, sinh thái cộng đồng và sinh thái hệ sinh thái, định nghĩa tự sinh học là "sinh thái loài".
Tuy nhiên, trong một số thời gian, các nhà sinh học đã nhận ra rằng cấp độ tổ chức lớn hơn của một loài là quần thể, bởi vì ở cấp độ này, vốn gen loài là nhất quán. Trên thực tế, Odum coi "tự động học" là một "xu hướng hiện tại" trong sinh thái học (tức là một thuật ngữ cổ), mặc dù ông đưa "sinh thái loài" vào một trong bốn bộ phận của sinh thái học.
Ấn phẩm đầu tiên của Sinh thái Quần thể (ban đầu được gọi là Nghiên cứu Sinh thái Quần thể) được phát hành vào năm 1952.
Các bài báo nghiên cứu về sinh thái quần thể cũng có thể được tìm thấy trên các tạp chí sinh thái học động vật.
Động lực dân số
Động lực học dân số là một nhánh của khoa học đời sống nghiên cứu kích thước và thành phần tuổi của quần thể như các hệ thống động lực và các quá trình sinh học và môi trường thúc đẩy chúng (ví dụ, tỷ lệ sinh và tử, nhập cư và di cư). Ví dụ về các tình huống là già hóa, tăng trưởng hoặc thu hẹp dân số.
Tăng trưởng theo cấp số nhân mô tả sự sinh sản không được kiểm soát. Điều này là rất bất thường để thấy trong tự nhiên. Dân số tăng theo cấp số nhân trong 100 năm qua.
Thomas M althus tin rằng sự gia tăng dân số sẽ dẫn đến dân số quá đông và nạn đói do thiếu tài nguyên, bao gồm cả thực phẩm. Trong tương lai, con người sẽ không thể nuôi sống những quần thể lớn. Giả định sinh học về tăng trưởng theo cấp số nhân là tỷ lệ tăng trưởng bình quân đầu người là không đổi. Tăng trưởng không chỉ giới hạn ở sự khan hiếm tài nguyên hay sự ăn thịt.
Động lực học dân số đã được sử dụng rộng rãi trong một số ứng dụng của lý thuyết kiểm soát. Sử dụng lý thuyết trò chơi tiến hóa, trò chơi dân số được áp dụng rộng rãi cho các bối cảnh hàng ngày và công nghiệp khác nhau. Chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO), mặc dù chúng có thể được điều chỉnh để sử dụng trong các hệ thống đầu vào, đầu ra đơn (SISO). Một số ví dụ ứng dụng là các chiến dịch quân sự, phân phối tài nguyên phân phối nước, điều động máy phát điện phân tán, thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, vấn đề giao thông, vấn đề liên lạc. Ngoài ra, với bối cảnh phù hợp của các vấn đề sản xuất, động lực dân số có thể là một giải pháp hiệu quả và dễ áp dụng để kiểm soát các vấn đề. Nhiều nghiên cứu khoa học đã và đang diễn ra.
Dân số quá đông
Quá đông dân số xảy ra khi quần thể của một loài vượt quá khả năng mang theo của một vùng sinh thái. Đây có thể là kết quảsự gia tăng tỷ lệ sinh (tỷ lệ sinh sản), giảm tỷ lệ tử vong, gia tăng nhập cư hoặc một quần xã sinh vật không bền vững, và cạn kiệt các nguồn tài nguyên. Hơn nữa, điều này có nghĩa là nếu có quá nhiều người trong một môi trường sống, con người sẽ hạn chế nguồn lực sẵn có để tồn tại. Cấu trúc tuổi của dân số không đóng một vai trò đặc biệt.
Trong tự nhiên, dân số quá đông thường khiến quần thể động vật ăn thịt tăng lên. Điều này có tác dụng kiểm soát quần thể con mồi và đảm bảo rằng nó tiến hóa theo các đặc điểm di truyền giúp nó ít bị tổn thương hơn trước những kẻ săn mồi (và kẻ săn mồi có thể cùng tiến hóa).
Trong trường hợp không có động vật ăn thịt, các loài bị ràng buộc bởi các nguồn tài nguyên mà chúng có thể tìm thấy trong môi trường của chúng, nhưng điều này không nhất thiết kiểm soát được tình trạng quá tải dân số. Ít nhất là trong ngắn hạn. Nguồn cung cấp dồi dào có thể dẫn đến bùng nổ dân số kéo theo khủng hoảng dân số. Các loài gặm nhấm như lemmings và chuột đồng có những chu kỳ tăng dân số nhanh chóng và suy giảm sau đó. Quần thể thỏ rừng móng tuyết cũng thay đổi đáng kể theo chu kỳ, cũng như một trong những kẻ săn mồi săn chúng, linh miêu. Theo dõi xu hướng này dễ dàng hơn nhiều so với việc xác định bộ gen của một quần thể.
