Ugrás a tartalomhoz

Ökológia

Dr. Horváth Balázs, Pestiné dr. Rácz Éva Veronika (2011)

Chapter 3.  Populációk (Pestiné dr. Rácz Éva Veronika

Chapter 3.  Populációk (Pestiné dr. Rácz Éva Veronika

A populációk jellemzése

A populáció fogalma

A populáció az egyedfeletti szerveződés szerkezeti és működési alapegysége. Legtöbbször egy időben, egy helyen együtt élő, egy fajba tartozó egyedek halmazát értik populáció alatt, ill. faji minősítésű populáció alatt. Ez a definíció azonban nem minden ökológia vizsgálódás esetén használható. Sok esetben szűkebb, máskor tágabb fogalomra van szükség.

A populációdinamikai, populációgenetikai vizsgálatok esetén szükséges, hogy a populáció egyedei tényleges szaporodási közösséget alkossanak (mendeli populáció).

Táplálkozással kapcsolatos kérdésekben viszont azonos életmódú, de mégcsak nem is feltétlenül egy fajba tartozó egyedek (pl. azonos módon táplálkozó parti madarak) populációját tekintik vizsgálati alapnak.

A populáció általánosan használt fogalma nehezen alkalmazható olyan állatokra, amelyek különböző fejlődési stádiumukban más élőhelyen, egészen más táplálékot fogyasztanak (pl. lepkék, kérészek vagy a legtöbb kétéltű). Növénypopulációk esetén az egyedek elkülönítése gondot okoz, sőt akár egyetlen egyed alkothatja a populációt.

Az általános szünbiológiai értelemben vett populáció mindig relatív, az adott vizsgálat céljaitól és feltételeitől függ. Ennek megfelelő definíció Juhász-Nagy (1986) meghatározása, mely szerint a populáció valamely szempont alapján összerendelt élőlények halmaza adott tér-idő intervallumban. A meghatározásban szereplő szempont sokféle lehet; függ a vizsgálat tárgyától és a tesztelendő hipotézistől.

A populációk szünbiológia vizsgálata egy  dimenziós rendszerben képzelhető el: a „hol” (tér 3 dimenziója), a „mikor” (idő dimenzió), „milyen mennyiségben” (populáció méret) fenológiai alapkérdéseknek megfelelően. Tanulmányozhatjuk a populáció tér-idő dinamikáját, vagy csak a populációméret időbeli változását.

Mielőtt a populációk dinamikájának okaira és modelljeire részletesen kitérnénk, tekintsük át a populációk jellemzőit, amelyekkel mennyiségük és eloszlásuk leírható.

Populációméret

A populáció méretét leggyakrabban egyedszámban ( ) vagy egyedsűrűségben (populációdenzitás vagy abundancia) szokták megadni. Szárazföldi élőlények esetén a denzitást egyed/területegységben, míg vizekben élőkre térfogategységre vonatkoztatva mérik.

Az egyedek elkülönítése azonban csak az úgynevezett unitér fajok populációiban magától értetődő, amelyek elkülönült, genetikailag különböző egyedekből állnak, mint pl. a gerinces állatok. Ezzel szemben a növények jelentős része és több gerinctelen állat csoportokat, telepeket alkotnak. Ezek az ún. moduláris fajok. Telepeik számos genetikailag azonos, klónból állnak, amelyek különböző ivartalan szaporodási formákkal jöttek létre (pl. indázás, gyökérsarj, bimbózás … stb. ). A moduláris populációk denzitását biomassza/területegységben lehet megadni.

A populáció nagyságát közvetlen számlálással is meghatározhatjuk nagytestű állatok, madarak, vagy fás növények vagy egyéb kis létszámú populációk esetén. Azonban az esetek többségében az összes egyed megtalálása gyakorlati akadályokba ütközik. A populációméret meghatározására két általános módszer használatos: a kvadrát módszer és a jelölés-visszafogás.

A kvadrát módszer jól alkalmazható olyan populációk méretének becslésére, amelyek egyedei nemigen mozognak. A kvadrát a vizsgálati területen lehatárolt megfelelő méretű (kis) terület. Általában – de nem feltétlenül – négyzet alakú. Növénypopulációk vizsgálatára hazánkban erdőkben leggyakrabban 20 m *20 m, cserjésekben 10 m *10 m, gyepeken 2 m *2 m nagyságú kvadrátokat használnak (Fekete 2000). A vizsgálati területen felvett megfelelő számú kvadrátban számolt egyedszám ill. denzitás alapján becsülhető az egész területre jellemző populációnagyság. Fontos, hogy a kvadrátok felvétele reprezentatív legyen. Ez például véletlen kijelöléssel biztosítható.

A jelölés-visszafogás gyorsan mozgó, jól elegyedő állatok populációjának becslésére használt széles körben alkalmazott módszer.

A populációból véletlenszerűen kiválasztunk egyedeket (csapdázással, hálóval … stb.), ezekeket megfelelően megjelölve visszaengedik, majd a későbbi mintavétel(ek) során visszafogott jelölt egyedek mennyiségéből következtetnek a populáció jellemzőire.

A jelölés sokféle módszerrel történhet. Festéket alkalmaznak pl. lepkék vagy bogarak megjelölésére, egyenesszárnyúakra címkét ragasztanak, kemény kitinpáncéllal rendelkező bogaraknál lézeres gravírozás is alkalmazható. Gerinceseknél általában bilétákat vagy gyűrűket kapnak, de előfordul a lábujjak (kisemlősök), vagy az úszók csonkolása (halak). Nagyobb testű állatokon rádiótelemetriás adók, műholdas nyomkövetésre alkalmas eszközök és GPS-ek is elhelyezhetők, sőt harmonikus radarokat és és bőr alá ültethető chipeket is használnak. (Kőrösi 2006)

A jelölés-visszafogás ma már nem feltétlenül jelenti az állatok tényleges befogását. Például Észak-Amerikában a grizzlymedvéket a kerítésoszlopra kent halolajjal csalogatják oda, azonban csak kerítésen hagyott szőrszálakból vett DNS mintát használják. (Krebs 2008)

Ideális esetben (zárt populáció, tökéletes keveredés) a visszafogott mintában a jelölt egyedek ugyanolyan arányban vannak jelen, mint az egész populációban (3.1. ábra).

3.1. ábra Lincoln–Petersen-index. Az egyedszám-becslés alapjául szolgáló arányok jelölés-visszafogás esetén.

Ennek alapján a populáció egyedszáma a 3.1. képlet alapján becsülhető.

 N=n*M/m

Gyakran előfordul, hogy a populáció nem zárt; egyedek elvándorolnak vagy érkeznek, illetve születnek vagy elpusztulnak. Kisszámú jelölt egyed visszafogása esetén erősen torzít ez a képlet. Az állatökológusok ezért általában többszörös visszafogással dolgoznak, amihez kidolgozott statisztikai adatfeldolgozó módszerek lehetővé teszik nemcsak a pontosabb egyedszám-becslést, de a populáció más paramétereinek meghatározását (pl. születési, halálozási ráta, térbeli tulajdonságok) is.

A populációk csoporttulajdonságai

A populációk csoporttulajdonságai olyan, egyedeken nem tanulmányozható tulajdonságok, amelyek meghatározzák a populáció struktúráját (denzitás, térbeli eloszlás, koreloszlás) és dinamikáját.

A populációk méretét a születések, halálozások valamit a be- és kivándorlás határozza meg. Ezeket pedig részben a populáció belső tulajdonságai (pl. szaporodási képesség), részben pedig a korlátozó tényezők határozzák meg: a források (táplálék, fészkelőhely) és kondicionáló tényezők (hőmérséklet, páratartalom, talajnedvesség), vagy más fajok populációi (ragadozók, versenytársak) (ld. 3.2. fejezet).

A populáció egyedszámának változását ( Δ N) a születések (B ) és halálozások (D ) számának, valamint a be- (I ) és kivándorló ( E) egyedek számának ismeretében egyszerűen meghatározhatjuk.

Δ N=B-D+I-E (3.2)

A populáció időbeli dinamikáját vizsgálva az egységnyi idő alatt történt változásokat tekintjük (pl. évenkénti szaporulatot a szezonálisan szaporodó fajok esetében), növekedési, halálozási be- és kivándorlási rátákról beszélünk.

Natalitás. Az egy főre jutó (per capita) növekedési rátát natalitásnak nevezzük. Azt fejezi ki, hogy egységnyi idő alatt egy főre hány születés esik a populációban. Különböző fajok populációinak natalitása igen eltérő lehet.

Fekunditásnak nevezik az egyedek fiziológiailag meghatározott maximális utódmennyiségét. Ezzel szemben a természetben ennél alacsonyabb átlagos utódmennyiséget tapasztalunk, ez a fertilitás. Szexuálisan szaporodó populációkban általában csak a nőstényeket szokták tekinteni.

Mortalitás. A populációban az egy főre jutó halálozási rátát mortalitásnak nevezzük.

Az egyedek elhalálozásának különféle közvetlen és közvetett okai lehetnek. Közvetlen ok lehet kórokozó, parazita, ragadozó, táplálékhiány, környezeti hatás (pl. magas vagy alacsony hőmérséklet, páratartalom, toxikus anyagok, sugárzás stb.). A környezeti paraméterek megváltozása gyakran csupán közvetett oka az egyedek elpusztulásának: például a páratartalom növekedésével a gombák elszaporodnak, és azok okozzák a halált (Sharov 2008).

A halálozás valószínűsége fajra jellemző módon függ az egyed korától, vagy fejlődési stádiumától (pl. lárva, imágó vagy újszülött, fiatal, ivarérett … stb.).

A halálozás korfüggését szemlélteti a túlélési görbe: a kor függvényében ábrázolják a túlélés valószínűségét – általában 1000 egyedre vonatkoztatva – logaritmikus skálán. Pearl (1928) három (idealizált) típust különböztetett meg (3.2. ábra).

3.2. ábra A túlélési görbék három alaptípusa. A görbéket az 1000 egyedre vonatkoztatott túlélési valószínűség logaritmikus skálán való ábrázolásával kapjuk az életkor függvényében.

Az I. típus esetén az egyedek halálozási esélye kicsi egészen az öregkorig. Az egyedek többnyire időskorban pusztulnak el. Ez jellemző a házikedvencekre, az emberre, állatkerti állatokra és az egyéves növényekre.

A II. típusra jellemző, hogy az egyedeket koruktól függetlenül azonos valószínűséggel éri a halál. Ilyen a földben (magbankban) várakozó magok pusztulása, és a korai magasabb halandóságtól eltekintve ez jellemző a madarak többségére is.

A III. típusú görbe esetén igen nagy fiatalkori halálozás tapasztalható, azok az egyedek azonban, amelyek egy bizonyos kort megértek, jó eséllyel néznek hosszú élet elébe. A természetben élő növény és állatfajok többségére ez jellemző. Sok utódot hoznak létre, amelyek nagy része fiatal korban elpusztul. Az ivarérett kort megért egyedek között viszont nagyon alacsony a halálozási arány. A természetes szelekciónak éppen ez az egyik alapja.

Természetesen a valós populációkban a görbék koránt sem ilyen szabályosak. A túlélési mintázat sokkal összetettebb. Növénypopulációk esetén a vetési denzitás (populációdenzitás) befolyásolhatja, hogy melyik alaptípushoz közeli túlélési görbét kapunk.

Korstruktúra

Mivel a halálozás korfüggő, a populáció kor szerinti megoszlása fontos meghatározója a populáció dinamikájának. A születések száma is függ a koreloszlástól, hiszen a különböző korú egyedek nem egyforma mértékben járulnak hozzá a szaporulathoz.

A korösszetétel és a populációgyarapodás összefüggéseivel a demográfia tudománya foglalkozik. A korfüggő szaporodási és túlélési arányok meghatározásához élettáblákat készítenek, amelyben a korcsoportok egyedszámából számíthatók a következő korcsoportba jutás a mortalitási és túlélési aránya. A korcsoportonkénti utódszámmal kiegészítve a termékenység is számolható. Ha a populáció minden egyedének kora ismert statikus (vertikális, időspecifikus) élettáblát készíthetünk. Gyakran azonban egyszerűbb egy korcsoportot teljes életük során nyomon kísérni. Ekkor egy kohorszot (közel azonos időben született egyedek csoportját) vizsgálnak és dinamikus (horizontális, korspecifikus, kohorsz) élettáblát készítenek.

A populáció adott időpontbeli korösszetételét (többnyire nemekre bontva) jellemzi a korfa. Az egyes korcsoportok egyedszámát ábrázolják vízszintes oszlopdiagramokon. A két nemet ellentétes oldalon ábrázolva a korfa szimmetriájának megtörése mutatja a nemek közötti különbségeket. A korfa alakjából pedig a populáció növekedését vagy csökkenését, vagy stagnálását lehet leolvasni (3.3. ábra).

3.3. ábra Magyarország népességének koreloszlása a) 1870-ben növekvő populációt indukáló karácsonyfa alakú korfa, b) 1950-ben stagnáló populációkat jellemző oszlopszerű korfára hasonlít c) 2004-ben elöregedő populáció urna alakú (lefelé keskenyedő korfája). (KSH [1])

A humán és emlős populációk korstruktúráját legtöbbször évek alapján szokták tekinteni, rovarok esetén a korcsoportok helyett általában célszerűbb fejlődési stádiumokat tekinteni. Növényeknél a már kicsírázott növények életét nyomon követve szoktak idő szerinti korcsoportszerkezetet vizsgálni, azonban – különösen a növények terjedésének vizsgálatával kapcsolatban – szintén inkább fejlődési stádiumokat tekintenek. Ezek közül kiemelt a magbankban szunnyadó magok csoportja, amelyek akár évtizedekig (esetleg évszázadokig) megőrzik csíraképességüket. A kicsírázott magoncokat, a fiatal vegetatív és a fejlett vegetatív valamint a szaporodó egyedeket szokták még elkülöníteni.

Populációk térbeli eloszlása, diszpergáltsága

A populációk dinamikáját térben is, nemcsak időben vizsgáljuk. A populáció időbeli dinamikájának nemegyszer térbeli okai is vannak. A populáció térbeli terjedése és fennmaradása szempontjából is fontos a térbeli elrendeződésének ismerete.

Kevés populáció egyedei oszlanak el véletlenszerűen (random módon) egy területen, azaz annak minden pontján azonos valószínűséggel. Véletlen diszpergáltság jellemzi a pionír társulások populációit.

A természetben egyenletes (szegregált) térbeli eloszlás pl. territoriális állatok esetén (pl. énekesmadarak) fordul elő. A villanypóznán ülő madarak is egyforma távolságra helyezkednek el szomszédjaiktól, ugyanez a jelenség figyelhető meg két dimenzióban a tengeri madarak fészkeinek szabályos elhelyezkedésesén. A mesterséges, telepített növények (gyümölcsösök, faültetvények), mint alkalmas tanyahelyek hatására is kialakulhat szegregált diszpergáltság (Gallé 2010).

Az élőlények leggyakrabban csoportokba tömörülve, aggregáltan fordulnak elő (3.4. ábra). A csoportosulás oka egyrészt a szaporodás módjából ered (pl. magszórás), másrészt pedig a csoport gyakran nagyobb túlélési lehetőséget biztosít az egyedek számára (munkamegosztás, együttes védekezés stb…).

3.4. ábra Populációk tipikus térbeli mintázatai. a) random, b) egyenletes eloszlású c) csoportosuló

A populáció egyedeinek eloszlása függ az elérhető források eloszlásától (homogenitás, heterogenitás) a populáció terjedési stratégiájától és az egyedek közötti kölcsönhatásoktól (ld. még interspecifikus interakciók 3.2. fejezetben). Ugyanaz a térbeli mintázat különböző skálán szemlélve is más típusúnak tűnhet. Például a levéltetvek eloszlása csoportosuló nagy léptékű skálán (az erdő szintjén), kisebb skálán, – a levelek szintjén a lombkoronában– random eloszlást mutat, míg finomskálán – a leveleken való elhelyezkedést tekintve – leginkább egyenletesnek tűnik.

Populációk szociális szerkezete

A populációk egyedei állandó kölcsönhatásban állnak egymással. Hasonló igényeik miatt közös forrásokon és ellenségeken osztoznak, gyakran társas viselkedés figyelhető meg közöttük. A különféle populáción belüli kölcsönhatások jelentősen befolyásolják a populáció egyedszámának alakulását.

Az élőlények viselkedésével az etológia (viselkedésbiológia) foglalkozik, ezen belül a viselkedésökológia a viselkedés evolúciós hátterét és környezeti változóktól függését vizsgálja: hogyan és miért alkalmazkodnak a viselkedésükkel a különböző organizmusok, és a viselkedés hogyan befolyásolja a túlélést és a szaporodást.

Populáción belüli versengés

Ha egy populáció egyedei számára valamely közösen használt készlet (víz, táplálék, fészkelő- és búvóhely, tápanyagok, fény stb.) korlátozott mértékben áll rendelkezésre, akkor az egyedek között versengés (kompetíció) lép fel. A versengés során a résztvevő partnerek egymás túlélését és szaporodását kölcsönösen negatívan befolyásolják. Ha a versengés egy faj egyedei között zajlik, intraspecifikus kompetícióról beszélünk. A különböző fajba tartozó egyedek és populációik közötti (interspecifikus) kompetícióval részletesen a3.2.1. fejezetben foglalkozunk.

Közvetett (exploitatív) kompetícióról beszélünk, ha az egyedek közvetlenül nem, csak a közös készletek használatán keresztül hatnak egymásra.

Közvetlen (interferencia) kompetícióról beszélünk, ha az egyedek interakcióba lépnek egymással (3.5. ábra). Az interferencia kompetíciónak két formáját különböztetjünk meg aszerint, hogy a készlet megosztása hogyan történik. A tolongásos (scramble) kompetíció esetén a versengő partnerek a készlet teljes kimerüléséig részesülhetnek a forrásból, általában testtömegük arányában. Például egy marék búzán csipegető balkáni gerlék versengésekor. Ezzel szemben a kizárásos (contest) kompetíció esetén a forrás kihasználásának kezdetén eldől a verseny és az egyik fél a forrás kimerülése előtt elesik a kihasználás lehetőségétől. Ilyen a például a territoriális viselkedés. (Gallé 2010)

3.5. ábra A versengés fajtái

A versengés minden formája a populációnövekedést korlátozza. A populáció denzitásának növekedésével egyre erősebb hatásként jelentkezik, a populáció dinamikájában negatív denzitásfüggés jelentkezik (ld. 3.1.5. logisztikus modell).

A versengés következtében a denzitásfüggés a növényeknél öngyérülés, bizonyos állatcsoportoknál kannibalizmus révén valósul meg. A növekedő egyedek egyre nagyobb igényei miatt kiéleződik a versengés, ami nagyobb denzitás esetén egyedek halálához vezet. Ez csökkenti a denzitást és lehetővé teszi az egyedek további növekedését, ami viszont ismét a versengés kiéleződését okozza.

Csoportképzés és társas szerveződés

A populációdenzitás növekedése nem minden esetben csak negatív hatással jár. A kolóniákban fészkelő madarak esetén a kolóniaméret növekedésével, javul a költés sikeressége. A társas viselkedés különböző formái is általában meghatározott csoportméret esetén jelentenek maximális előnyt a csoport tagjainak.

A csoportban való tartózkodás többféle módon növelheti az egyed szaporodási és túlélési esélyeit: a csoportban táplálkozó egyedeknek kevesebb időt kell a ragadozók figyelésével tölteni, így több idejük jut az élelemszerzésre, a foltokban fellelhető táplálékok felkutatása is sikeresebb a csoportosan. Annak ellenére, hogy a ragadozók figyelmét könnyebben felkelti több egyed, a csoport az egyedek számára a ragadozók elleni védelmet nyújt, ami a tömegben való elrejtőzéssel (kockázatcsökkentés), a ragadozó figyelmének megosztásával vagy akár aktív csoportos védekezéssel is megvalósulhat. A csoportban a párzás lehetősége is nagyobb. Az előnyök mellett a nagyobb egyedsűrűség hátrányai az előző alfejezetben tárgyalt csoporton belüli versengésen kívül a paraziták és betegségek könnyebb elszaporodása.

A társas viselkedés kialakulásával, evolúciójával részletesen a szociobiológia tudomány foglalkozik (Wilson 1975).

Populációdinamika

A populációk méretének időbeli alakulásával a populációdinamika foglalkozik. A populációk mennyiségi viszonyainak megértésére matematikai modelleket használunk. Az alkalmazott modellek lehetnek determinisztikusak, amennyiben a változás egyértelműen meghatározott, vagy sztochasztikusak, ha a változás kimeneteleinek valószínűségei adottak. A modellek az időt kétféleképpen kezelhetik. A diszkrét idejű modellekben a változások szinkronizáltan történnek, az időlépésekben halad (pl. évről évre). A diszkrét modellek különösen alkalmasak elkülönült generációkból álló populációk modellezésére: ilyenek például az egyéves növények és a legtöbb rovar. Ezzel szemben a folytonos idejű modellekben a változások folyamatosan történnek, az események időben elkülöníthetők. Olyan populációk jellemzésére (is) alkalmas, amelyekben átfedő generációk vannak, a szaporodás nem szinkronizált módon történik.

Leggyakrabban tömegmodelleket (folytonos időben differenciálegyenleteket, diszkrét időben differenciaegyenleteket) alkalmaznak. Ezek a modellek négy alapvető feltétel megléte esetén használhatók.

  1. A populáció mérete megfelelően nagy, sok egyedből áll.

  2. A populáció jól keveredik, azaz bármely egyed bármelyikkel kapcsolatba kerülhet bármikor.

  3. A populáció környezete állandó. (Források nem fogynak el, eltekintünk az időjárás viszontagságaitól stb.)

  4. A demográfiai jellemzők (natalitás, mortalitás stb.) állandónak tekinthetők, idővel nem változnak.

Az elemi modellek zárt populációt feltételeznek, amelyben nincs migráció, azaz az általános mérlegegyenletben (3.2.) . I=E=0

Korlátlan növekedés diszkrét időben – geometriai sorozat

Az élőlények megfelelő körülmények között, bőséges tápanyag illetve táplálékellátás mellett a szaporodási rátájuk maximális értéke szerint szaporodnak.

Az egyéves növények és a rovarok többnyire évente egy generációt hoznak létre. Tekintsünk egy ilyen populációt. Tegyük fel, hogy egyik évről (t ) a másikra ( t+1) konstansszorosára ( λ ) változik a populáció mérete, azaz geometriai sorozat szerint növekszik. A t+1t+1

Equation 3.1. 


(3.3.)

konstanst a populáció bruttó növekedési rátájának nevezzük.

N0 egyedből kiindulva,

az első évben N1=λN0,

a másodikban N2=λN1=λλN02N0,

és így tovább a t-edik évben pedig a populáció egyedszáma

NttN0 (3.4.)

lesz.

Ez a növekedés rendkívül gyors. Egy 20 percenként osztódó E. coli baktériumból egyetlen nap alatt az egész Földet egy sejtréteg vastagon beborító baktériumtömeg lenne. Egy évenkénti generációs ciklussal rendelkező faj kisebb populációjából kiindulva is egy évtized alatt átlépné a milliós egyedszámot.

3.1. példa

Tegyük fel, hogy egy 120 tövet számláló növénypopulációról tudjuk, hogy évente két és félszeresére nő az egyedszáma. Hány tőből áll majd 10 év múlva a populáció, ha a növekedés üteme nem változik?

Az N0 és λ=2,5 adatokat (3.4.) egyenletbe behelyettesítve kapjuk

N10=2,510*120=1144410.

A populáció növekedése a 10 év alatt a 3.5. ábrán látható.

3.6. ábra Egy növény populáció, amelynek éves átlagos növekedési rátája ,λ=2,5,N0=120  egyedből kiindulva 10 év alatt meghaladná az 1 milliós egyedszámot (N10=1.144.410 )

Korlátlan növekedés folytonos időben – exponenciális függvény szerint

Átfedő generációkkal rendelkező populációk ideális körülmények között exponenciális függvény szerint növekednek.

Feltéve, hogy a populáció növekedése a születési rátával (b>0 ), csökkenése a halálozási rátával (d>0 ) arányos:

Equation 3.2. 


(3.5.)

b-d=rmax az egy főre jutó pillanatnyi növekedési ráta.

Equation 3.3. 


(3.6.)

differenciálegyenlet megoldása

N(t)=N0ermaxt (3.7.)

3.7. ábra Exponenciális növekedés , rmax=2, N(0)= 1.

A növekedés ütemét rmax nagysága határozza meg: minél nagyobb, annál gyorsabban növekszik a populáció mérete. Ha rmax=0 , akkor a populáció egyedszáma nem változik, ha rmax<0  exponenciálisan csökken.(3.1. animáció)

3.1. animáció Exponenciális növekedés üteme különböző rmax értékekre, egy egyedből kiindulva

ANIMÁCIÓ

Exponenciális növekedés előfordul a természetben, de nem gyakori. Új élőhelyek meghódítása, vagy minden tavasszal az édesvízi algák szaporodása ilyen ütemű. A posztglaciális (jegesedés utáni) felmelegedés időszakában pl. lombhullató fafajok potenciális elterjedési területe megnőtt, populációik exponenciális növekedést mutattak (Molles 2008). Az emberiség népessége is közel exponenciálisan nő .

Logisztikus növekedés

A korlátlan növekedés nem tarthat hosszú ideig, mivel az élőlények tömegessége nem nőhet akármeddig. A rendelkezésre álló források egy idő után korlátozó tényezőként jelentkeznek. A populáció egyedei versengnek a rendelkezésre álló készletekért (3.1.4. fejezet). A populáció egyedszámának növekedésével a demográfiai paraméterek megváltoznak, nem tekinthetők konstansnak: a születési ráta csökken, a halálozási ráta pedig növekszik. Ezért a növekedési ráta r=r(N)  az egyedszám csökkenő függvénye. Lineáris csökkenést feltételezve alkalmazzuk az

r(N)= rmax-cN (3.8.)

függvényt, ahol c>0 a populáció belső negatív visszacsatolását, azaz a denzitásfüggés erősségét jellemző konstans. Minél nagyobb a populáció egyedszáma annál élesebb a verseny az egyedek között, annál erősebben korlátozzák egymás növekedését és szaporodását.

Ezt a (3.8.) függvényt behelyettesítve az exponenciális növekedést leíró (3.6.) differenciálegyenletbe

Equation 3.4. 


(3.9.)

egyenletet kapjuk. Ez a logisztikus egyenlet, melynek egyensúlyi állapota ( N=0 triviális eseten túl)

Equation 3.5. 


(3.10.)

K -t a terület eltartóképességnek hívjuk, mivel éppen az a legnagyobb egyedszám, ami még képes megélni adott környezetben.

Az eredeti (3.9.) egyenlet felírható (3.10.) elnevezést felhasználva.

Equation 3.6. 


(3.11.)

alakban. Ez a logisztikus növekedés Verhulst (1838, 1845) modellje.

alakban. Ez a logisztikus növekedés Verhulst (1838, 1845) modellje. Megoldásait ábrázolva szigmoid görbéket kapunk (3.8. ábra). Ha az egyensúlyi egyedszámnál kisebb a populáció mérete N<K , akkor növekedést, ha nagyobb, akkor csökkenést tapasztalunk (3.2. animáció).

3.8. ábra Logisztikus populációnövekedés három különböző induló populációméret esetén

A szigmoid görbén a populációnövekedés három többé-kevésbé elkülöníthető szakasza figyelhető meg. A populáció először az exponenciális növekedéshez hasonlóan gyorsan növekszik. Ezután a növekedés üteme lelassul. Végül a növekedés (szinte) meg is áll. Ennek oka, hogy kezdetben alacsony egyedszám mellett a (3.8.) egyenletben a cN kifejezés kicsi, ezért kevéssé módosítja az exponenciális növekedést. Az N növekedtével azonban a csökkentés egyre nagyobb mértékű (3.9. ábra).

3.9. ábra A populációméret és a növekedésének üteme közötti összefüggés. Ha a populáció egyedszáma igen kicsi, akkor a legnagyobb a populáció növekedésének üteme: közel rmax . Ahogy nő a populáció egyedszáma (N>K ) a populáció egyre kisebb mértékben növekszik. Ha N=K, a populáció nem növekszik tovább. N<K esetben a populáció egyedszáma csökken.

Minnél nagyobb az egy főre jutó populáció szaporodási rátája (rmax ), annál meredekebben és gyorsabban közelíti a logisztikus görbe az egyensúlyi egyedszámot (3.3. animáció).

ANIMÁCIÓ

3.2. animáció Logisztikus növekedés különböző kezdeti populációméretek esetén

ANIMÁCIÓ

3.3. animáció Logisztikus növekedés különböző szaporodási ráta esetén

Logisztikus növekedést tapasztalunk egy petri csészébe telepített élesztőtenyészet vizsgálatakor vagy egy üvegben élő papucsállatka populáció esetén (Gause 1934), de a természetes élőhelyükön vizsgált élőlények populációdinamikája is gyakran jól közelíthető ezzel a modellel, különösen olyan esetekben, amikor egy populáció új területre lép (vagy mi telepítjük), vagy természeti katasztrófák, járványok utáni populációnövekedésre.

A populáció egyedszámát szabályzó denzitásfüggés nem feltétlenül lineáris , lehetséges ennél erősebb vagy gyengébb. A populáció dinamikáját egyszerre sok tényező befolyásolhatja. Gyakran ezek a nem közvetlenül és azonnal, hanem késleltetve (pl. τ  idő múlva) jelentkeznek.

A nemlineáris denzitásfüggés és a késleltetés egyaránt könnyen beépíthető a populáció egyedszámváltozását leíró differenciálegyenletbe,

Equation 3.7. 


(3.12.)

ahol ψ  egy meghatározott függvény, τ  pedig a késleltetés mértéke.

A késleltetett negatív visszacsatolás a kártevők periodikusan jelentkező tömeges elszaporodásának, azaz gradációjának legfontosabb háttértényezője. A gradáció során a populáció dinamikájában az alábbi szakaszok követik egymást:

lappangás (látencia), mialatt a populáció mérete igen kicsiny, nehezen kimutatható,
bevezető (akkresszecens) szakasz, növekedési szakasz, melyben a populáció egyes gócokban felszaporodik, ezt követi a
tetőzés szakasza (kulmináció), amelyben a tömeges elszaporodást jelentő kitörés (erupció) és az összeomlás követik egymást, végül
a lecsengő (dekreszcens) szakaszban a populáció mérete a látencia szintjére csökken. (Gallé 2010)

A gradáció jellemző a kisemlősökre, növényevő rovarokra: tipikusan gradáló faj például a lemming, a sivatagi sáska (Schistocerca gregaria) és a hazánkban is súlyos gondokat okozó gyapjaslepke (Lymantria dispar).

Életmenet stratégiák

Az élőlények élettartama, a szaporodásainak száma, a létrehozott utódok száma és fejlettsége, az azokról való gondoskodás mértéke széles határok között mozog a különböző taxonokban. Életmenet tulajdonságoknak nevezzük az élőlények alkalmazkodásával kialakult olyan biológiai sajátságait, amelyek méretét, maximális és ivarérettségi korát, utódszámát meghatározzák. Egyetlen élőlény sem tud minden tulajdonságban kimagasló lenni, energetikai és fizikai korlátok miatt. Számos élőlénycsoportban fordított függvénykapcsolat (csereviszony) mutatható ki az utódszám és utódméret – különösen a növények magjainak száma és mérete – között. Hasonlóan a többször szaporodó állatoknál a túlélés és a szaporodás között is csereviszonyt figyeltek meg: azok az egyedek, amelyek több energiát fordítanak a szaporodásra kisebb tömegűek és kisebb valószínűséggel élnek túl a következő szaporodási időszakig (Molles 2008). Az életmenet tulajdonságok közötti összefüggések lehetővé teszik, az élőlények osztályzását életmenet stratégiájuk szerint.

Az r-K elmélet

A legleterjedtebb életmenet stratégiákra épülő osztályozás a logisztikus modell paramétereiről kapta a nevét: r az egy főre jutó növekedési rátát, K pedig a terület eltartóképességét jelöli a 3.11. egyenletben.

Az r-szelekció a gyors populációnövekedést támogatja, az ennek megfelelő r-stratégista élőlények gyorsan növekednek, hamar ivaréretté válnak, és sok utódot hoznak létre. Az életmenet csereviszonyoknak megfelelően általában apró termetűek és rövid életűek. Az r-szelekció elsősorban változó, bolygatott az élőlények számára kevésbé kiszámítható élőhelyeken érvényesül.

A K-szelekció a források minél jobb kihasználását jelenti (MacArthur & Wilson 1967). A K-stratégista élőlények hosszútávon versenyképesek, sokáig élnek, többször szaporodnak (), de egyszerre csak kevés utódot hoznak létre, ezekről többnyire gondoskodnak – a tápanyagellátástól az aktív utódgondozásig sokféle módon. A tipikus r- és K-stratégista élőlények életmenet tulajdonságait a 3.1. táblázat foglalja össze.

Table 3.1.  3.1. táblázat Az r és K életmenet stratégiák összehasonlítása

  r-stratégista K-stratégista
Testméret kicsi nagy
Egyed növekedése gyors lassú
Élettartam rövid hosszú
Ivarérettség korán későn
Szaporodások száma 1 (semelpar) több (iteropar)
Utódszám egy szaporodásból sok kevés
Utódok mérete kicsi nagy
Kompetíciós képesség gyenge erős
Ivadékgondozás alig jelentős
Élőhely előrejelezhetetlen előrejelezhető

Az r- és K-stratégia valójában egy folytonos eloszlás két végpontja a természetes populációk tulajdonságait tekintve e két szélsőség között folyamatos átmenet van (Pianka 1970, 1972). Például az egyéves növények r stratégiájúak, ehhez képest az erdei fák K-stratégisták. Ezzel szemben az erdei fák között is vannak inkább a kontinuum r irányában állók (pl. a nyár és nyír fajok: gyors növésű puhafák, amik hamar igen sok apró termést hoznak), és inkább a K végpont közelében levők (pl. tölgy, bükk: hosszú évtizedek után termőre forduló, de sokszor termő lassú növekedésű keményfák).

Grime-féle stratégiák

Grime (1977, 1979) növényekre kétváltozós életmenet osztályzási rendszert javasolt, annak alapján, hogy a növények növekedését és szaporodását két tényezőcsoport befolyásolja leginkább: a stressz és a zavarás. A stressz tartósan fennálló kedvezőtlen körülményeket jelent, mint például a forráshiány: száraz, nitrogénhiányos talaj, fényszegény élőhely vagy szélsőséges hőmérsékleti viszonyok. Ezzel szemben a zavarás időszakosan fellépő a növény számára kellemetlen hatás, mint például a legelés, kórokozók, széltörés vagy a tűz.

A két tényezővel szembeni tűrőképesség szerint elvben négy kategória közül három valósul meg a természetben (3.2. táblázat).

Table 3.2. 3.2. táblázat Grime-féle C-S-R osztályozás

  Stressztűrés
kicsi nagy

Zavarás-

tűrés
kicsi kompetitív stratégia - C stressz toleráns stratégia - S
nagy ruderális (gyom) stratégia - R (nem lehetséges )

A ruderális (gyom) növények erősen zavart területeken élnek, gyorsan szaporodnak, rövid idő alatt képesek magot hozni, ezáltal újranépesítik a zavarás hatására megüresedett foltokat. Sok magot termelnek, amelyek jól terjednek. A stressz-toleráns növények képesek erősen korlátozó körülmények között megélni, de a zavarást nem viselik el. A Grime osztályozásában a harmadik a kompetitív stratégia. A kompetitív növények sem a stresszt, sem a zavarást nem tűrik jól, viszont kedvező körülmények között sűrűbb társulásokban is jó versengési képességei révén megélnek.

Table 3.3.  3.3. táblázat Grime-féle C-S-R stratégiák összehasonlítása

  C S R
Termőhely Fajgazdag, zsúfolt társulások, nincs bolygatás sem stressz. Tartósan forrásszegény, erősen stresszelt élőhely, kondicionáló tényező kedvezőtlen. Nem túl forrásszegény, de vannak rossz időszakok.
Élettartam Hosszú (sok fa). Hosszú. Rövid (sok lágyszárú, egyéves).
Növekedés Gyors (nagy termet) Lassú (kis termet) Gyors
Virágzás Sokára virágzik. Amikor van rá lehetőség. Hamar virágzik.
Magtermés Kevés, nagy mag. Kevés mag. Sok kicsi mag.
Raktározás Nem raktároz, csak ritkán; a raktár a gyors indulást szolgálja, mag és rügybankot képez. Raktározás speciális szervekben; kedvezőtlen időszakok átvészelésére, védőeszközök Főleg a magbankban van a raktár, gyors indulás + a kedvezőtlen időszakok átvészelése a célja
Allokáció Növekedésre Védekezésre, fennmaradásra Reprodukcióra

A ruderális stratégia megfelel az r szelekciónak, míg a K szelekciónak a kompetitív stratégia feleltethető meg.

Grime szerint az r-K skála lineáris megközelítésénél jobban szemlélteti a CSR háromszög jobban reprezentálja a növények életmenet-stratégiáinak terét (3.10. ábra).

3.10. ábra A C-S-R kontinuum (Grime 1979 nyomán)

Grime felosztására épít Borhidi Attila (1993) a növények szociális magatartástípusai szerinti felosztása. A botanikai alkalmazásokon kívül hangyaközösségek osztályozására is alkalmazzák Grime rendszerét. (Gallé 2010)

Az életmenet stratégiák tipizálása természetesen mindenképpen általánosítással és egyszerűsítéssel jár. Gerincesekre és magasabbrendű növényekre, melyek csoportjaiban az életmenet sajátosságok többé- kevésbé megegyeznek, jól használhatók ezek az egyszerű felosztások. A gerinctelenekre és egyéb alsóbbrendű élőlények életmenet sajátságai olyan nagy változatosságot mutatnak, hogy ezen általános rendszerek helyett taxonspecifikus felosztásokat készítenek.