Definicja populacji
Populacja to liczba organizmów tego samego gatunku, które żyją w określonym obszarze geograficznym w tym samym czasie, z możliwością krzyżowania się.
Aby mogło dojść do krzyżowania się, osobniki muszą być zdolne do kojarzenia się z każdym innym członkiem populacji i wytwarzania płodnego potomstwa. Jednakże populacje zawierają w sobie zmienność genetyczną i nie wszystkie osobniki są jednakowo zdolne do przetrwania i rozmnażania.
Populacje mogą występować w różnych skalach. Populacja lokalna może być ograniczona do małego przestrzennie obszaru, tj. do ryb w jednym stawie. Może ona jednak funkcjonować w skali regionalnej, krajowej, wyspiarskiej lub kontynentalnej, a nawet stanowić cały gatunek. Jeśli osobniki populacji lokalnych są w stanie rozpraszać się pomiędzy innymi populacjami lokalnymi, to mamy do czynienia z metapopulacją.
Biologia populacji zajmuje się badaniem cech populacji oraz czynników, które wpływają na ich wielkość i rozmieszczenie. Cechy, które są badane obejmują wzorce migracji, gęstość populacji, demografię (wskaźnik urodzeń i zgonów, stosunek płci i rozkład wieku), genetykę populacji, cechy historii życia i dynamikę grupy (interakcje w obrębie i między populacjami). Ekologia populacji to nauka o tym, jak te populacje oddziałują ze środowiskiem.
Większość populacji nie jest stabilna, zmienia swoją wielkość w czasie (litera „N” często oznacza liczbę osobników w populacji). Fluktuacje te są zwykle odpowiedzią na zmiany w czynnikach abiotycznych i biotycznych, które działają jako czynniki ograniczające przed nieokreślonym wykładniczym wzrostem populacji. Na przykład, gdy zasoby pokarmowe są obfite, a warunki środowiskowe sprzyjające, populacje mogą rosnąć. I odwrotnie, gdy drapieżnictwo jest silne, populacje mogą zostać uszczuplone.
Charakterystyka populacji może wpływać na to, jak wpływają na nią pewne czynniki. Skutki, jakie czynniki zależne od gęstości mogą mieć na populację, są określone przez jej wielkość; na przykład większa, gęstsza populacja zostanie zdziesiątkowana szybciej przez rozprzestrzenianie się choroby niż populacja szeroko rozproszona. Cechy historii życia, takie jak tempo dojrzewania i długość życia, mogą wpływać na tempo wzrostu populacji; jeśli osobniki dojrzewają później, populacja będzie rosła wolniej niż w przypadku, gdy dojrzewają stosunkowo młodo.
Dzięki zmienności genetycznej w obrębie populacji, te, które są większe, są zazwyczaj bardziej odporne na stochastyczne zmiany w środowisku lub demografii. Dzieje się tak, ponieważ istnieje większa szansa, że mutacja genetyczna w puli genów jest lepiej przystosowana do przetrwania w nowej sytuacji. Jeśli dojdzie do ekstremalnego zdarzenia, w którym duża liczba osobników w populacji nie będzie w stanie przetrwać, pozostałe osobniki z preferowanymi genami będą się rozmnażać, zwiększając w ten sposób częstotliwość występowania tych genów w populacji poprzez dryf genetyczny. Nazywa się to wąskim gardłem populacji.
Ale osobniki, które przetrwały wąskie gardło, są przystosowane do nowych warunków, nie zawsze jest dobry wskaźnik długoterminowego sukcesu dla populacji. Różnorodność genetyczna w nowej populacji jest niska i wzrasta bardzo powoli w miarę pojawiania się mutacji w każdym kolejnym pokoleniu. Oznacza to, że nowa populacja jest bardzo podatna na dalsze zmiany środowiska lub dostępności zasobów, a także ponosi konsekwencje chowu wsobnego, takie jak choroby i deformacje u potomstwa. Jeśli wąskie gardło spowoduje powstanie zbyt małej liczby osobników (poniżej minimalnej żywotnej wielkości populacji), istnieje znaczne ryzyko wyginięcia po kilku pokoleniach.
Przykłady populacji
Słonie afrykańskie
Istnieją dwa tradycyjnie uznane gatunki słoni, słonie afrykańskie (Loxodonta Africana) i słonie azjatyckie (Elephas maximus), chociaż ostatnie badania podzieliły słonie afrykańskie na dwa gatunki: afrykańskie słonie buszowe (Loxodonta africana) i afrykańskie słonie leśne (Loxodonta cyclotis).
Populacje słoni afrykańskich prawdopodobnie istniały na skalę całego kontynentu, licząc do 5 milionów osobników na początku 1900 roku. Jednak ze względu na fragmentację siedlisk i kłusownictwo dla ich kłów, liczby słoni doznały poważnych spadków. Obecnie uważa się, że pozostało około 400 000 słoni afrykańskich.
Struktura grupy słoni jest utworzona z jednostek rodzinnych składających się z około 10 osobników, chociaż kiedy rodziny słoni wchodzą w kontakt, mogą łączyć się w większe grupy – zwane „stadami” – do 100. Każde z tych stad tworzy lokalną populację. Jednakże, każdy osobnik z każdego gatunku może rozmnażać się z innym członkiem gatunku, więc pełna populacja każdego afrykańskiego gatunku obejmuje wszystkie osobniki na kontynencie.
Populacje stawów
W obrębie siedliska może istnieć wiele różnych populacji; przykładem na małą skalę jest jezioro. Jezioro może stanowić siedlisko dla ptaków, ryb, owadów, płazów i ssaków, takich jak wydry czy szczury. Chociaż każdy gatunek otrzymuje zasoby z jeziora, ich populacje mogą polegać na siedlisku w unikalny sposób. Dla ryb, ląd stanowi nieprzeniknioną barierę dla dyspersji. Bez możliwości wyjazdu, cała populacja pstrągów może istnieć wyłącznie w obrębie jeziora i nigdzie indziej.
Płazy, takie jak ropuchy, mogą składać ikrę w jeziorze i wykorzystywać kilka pobliskich jezior w dolinie do żerowania. Jednak, ponieważ nie mogą one przedostać się przez góry, ich lokalna populacja jest ograniczona do wnętrza doliny. Jeśli warunki środowiskowe w dolinie różnią się od innych otaczających dolin, a ropuchy są odizolowane od innych populacji tego samego gatunku na wystarczająco długo, zachowanie lub morfologia ropuchy może zmienić się na tyle, że nie będzie ona mogła łączyć się w pary z ropuchami spoza doliny. Taka izolacja napędzałaby proces specjacji, a tym samym powstawanie nowych gatunków.
Migrujące ptaki mogą odwiedzać jezioro sezonowo w celu przezimowania; przez część roku ptaki te tworzą lokalną populację. Kiedy ptaki wracają z zimowisk, spotykają się z innymi populacjami tego samego gatunku, dzięki czemu mogą się rozmnażać w większej liczbie. Powszechne jest, że ptaki w różnym wieku lub różnej płci migrują w różnym czasie lub na różne odległości, więc wielkość populacji zależy od demografii grupy.
Łosoś
Wiele gatunków łososi jest anadromicznych, co oznacza, że rodzą się w słodkiej wodzie, a następnie migrują do oceanu, aby się odżywiać i dojrzewać, a następnie wracają do słodkiej wody, aby się rozmnażać.
Łososie mają tendencję do powracania do tej samej rzeki, w której się urodziły, aby złożyć ikrę. Ze względu na to silne pragnienie „powrotu do domu” łososie zazwyczaj nie oddalają się zbytnio od rodzimego miejsca tarła, chociaż odległość rozproszenia zależy w dużej mierze od konkretnego gatunku.
Ponieważ większość miejsc tarła jest oddzielona lądem lub głęboką wodą, każda grupa łososi, które urodziły się w danym miejscu tarła, tworzy lokalną populację w obrębie tego miejsca; mimo że warunki na trasach dostępnych do rozproszenia się do innych miejsc nie są niemożliwe do wytrzymania przez łososie, rzadko spotyka się je przemieszczające się między miejscami.
Podczas pobytu w morzu łososie stykają się z łososiami z innych lokalnych populacji, nawet bardzo odległych. Chociaż nie ma barier w kojarzeniu się lokalnych populacji tego samego gatunku, tendencja łososi do powrotu do rzek, z których pochodzą, znacznie ogranicza przepływ genów między nimi. Niemniej jednak, niektóre osobniki zbaczają z oczekiwanej trasy, z wyboru lub przez pomyłkę, co skutkuje przepływem genów między populacjami.
Z uwagi na cykl życiowy łososia można podzielić na kategorie w ramach struktury metapopulacji.
- Społeczność – grupa składająca się z różnych gatunków, które oddziałują na siebie bezpośrednio lub biernie, we wspólnej lokalizacji.
- Gatunek – Grupa fizycznie podobnych osobników, które są zdolne do reprodukcji z wynikiem płodnego potomstwa.
- Pula genów – Zestaw genów obecnych w populacji lub gatunku.
- Speciation – Tworzenie nowych, odrębnych gatunków.
Quiz
1. Który z poniższych scenariuszy najlepiej pasuje do definicji populacji?
A. Pięć gatunków żab żyjących na bagnach.
B. Wszystkie rekiny pływające u zachodnich wybrzeży Australii.
C. Wszystkie pojedyncze goryle górskie żyjące w gęstym lesie czterech parków narodowych w Afryce.
D. Ptaki, nietoperze i małpy, które żyją w lasach deszczowych Ekwadoru.
2. Wąskie gardło populacji występuje, gdy:
A. Liczba osobników w grupie staje się zbyt duża.
B. Zdarzenie powoduje znaczny ubytek osobników w populacji.
C. Gatunki migrują z dala od swojej rodzimej populacji.
D. Dwie populacje łączą się ze sobą, tworząc nową populację.
3. Małe populacje są bardziej wrażliwe niż duże, ponieważ:
A. Są bardziej narażone na drapieżnictwo.
B. Są podatne na zmiany, ponieważ mają mniejszą pulę genów.
C. Nie są w stanie utrzymać się nawzajem w cieple.