ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΟΙΚΟΛΟΓΙΑΣ Μάθημα 9 Μερικές έννοιες από την «Οικολογία Πληθυσμών»
Τα θέματά μας Η καμπύλη αύξησης των πληθυσμών Η φέρουσα ικανότητα του οικοσυστήματος για έναν πληθυσμό Ο ανταγωνισμός Η θήρευση
Οικολογία πληθυσμών Η οικολογία μελετά το «οικοσύστημα» ένα ανώτερο επίπεδο βιολογικής οργάνωσης Οι αλληλεπιδράσεις σε κάθε επίπεδο βιολογικής οργάνωσης είναι εξαιρετικά σύνθετες και δυναμικές Το ίδιο ασφαλώς ισχύει και στο επίπεδο του οικοσυστήματος όπου διαφορετικοί πληθυσμοί φυτικών και ζωικών οργανισμών βρίσκονται σε συνεχή αλληλεξάρτηση μεταξύ τους καθώς και με το φυσικό περιβάλλον Είναι λοιπόν να δυνατόν να κατανοήσουμε τη δυναμική των πληθυσμών στο οικοσύστημα και με ποιο τρόπο;;;
Οικολογία πληθυσμών Σύμφωνα με την ιστορία της Οικολογίας πληθυσμών, μεταξύ 1920-1970 το ερώτημα αυτό αποκτά άλλη διάσταση μέσα από τη «νατουραλιστική» οπτική και άλλη μέσα από τη «μαθηματική» οπτική Οι νατουραλιστές επιχειρούν να καταλάβουν την οικολογία των πληθυσμών με εργαλείο την άμεση παρατήρηση και με έμφαση στις ατομικές διαφορές, δηλ. στις ιδιαιτερότητες μελών πληθυσμού Οι μαθηματικοί προσεγγίζουν το ίδιο ερώτημα με θεωρητικά εργαλεία και με έμφαση στα γενικά πρότυπα ή «κανόνες» με τους οποίους θα μπορούσαν να ίσως να περιγράψουν τους πληθυσμούς Ένα απλό παράδειγμα αυτής της βασικής διαφοράς έχει να κάνει με την καμπύλη αύξησης ενός πληθυσμού
Οικολογία πληθυσμών Οι νατουραλιστές τονίζουν ότι η αύξηση ενός πληθυσμού στη φύση χαρακτηρίζεται από διακυμάνσεις ή αλλιώς «ταλαντώσεις» Ένας πληθυσμός που έχει φτάσει στο ανώτατο μέγεθός του σπάνια μένει εν συνεχεία σε αυτό Αντίθετα, αυτό που είναι πιθανότερο να συμβεί είναι διακύμανση μεγέθους σε εποχιακή ή περιοδική βάση Οι εποχιακές ταλαντώσεις έχουν κυρίως να κάνουν με τις εποχιακές μεταβολές των καιρικών συνθηκών, και παρατηρούνται στα περισσότερα μέρη της γης
Οικολογία πληθυσμών Για παράδειγμα, πληθυσμοί αρκετών ζώων σε εύκρατες περιοχές έχουν έντονες διακυμάνσεις μεγέθους ανάμεσα σε χειμώνα - καλοκαίρι Τέτοιες ταλαντώσεις παρατηρούνται και στις τροπικές περιοχές Σε μερικές περιπτώσεις μπορεί να συνδέονται με τις βροχοπτώσεις ή την εποχιακή διαθεσιμότητα τροφής (φρούτα) Όμως υπάρχουν και εποχιακές ταλαντώσεις που συμβαίνουν χωρίς κανέναν προφανή λόγο Για παράδειγμα, οι πληθυσμοί πλαγκτού στα υδάτινα οικοσυστήματα είναι δυνατόν ταλαντώνονται πολύ έντονα χωρίς να εντοπίζουμε το λόγο εξαπλασιασμός μεγέθους & απότομη μείωση
Οικολογία πληθυσμών «Περιοδικές ταλαντώσεις» λέμε τις διακυμάνσεις των πληθυσμιακών μεγεθών ανά κάποια έτη Αυτές μπορεί να ΜΗΝ έχουν «σταθερή περίοδο», δηλ. να παρατηρούνται ΟΧΙ σε τακτά χρονικά διαστήματα, αλλά ακανόνιστα & σε συνάρτηση με ΜΗ περιοδικές περιβαλλοντικές συνθήκες Για παράδειγμα, τα μεγέθη πληθυσμών του πτηνού ερωδιός που ζουν στη Βρετανία μειώνονται σημαντικά μετά από ΚΑΘΕ δριμύ χειμώνα και ακολούθως ανακάμπτουν Η συχνότητα όμως με την οποία εμφανίζονται δριμείς χειμώνες στην περιοχή μπορεί να ποικίλλει σημαντικά π.χ.... από δεκαετία σε δεκαετία
Οικολογία πληθυσμών Οι περιοδικές ταλαντώσεις μπορεί να έχουν και κυκλικό χαρακτήρα Αυτός μπορεί να συνδέεται ίσως με κάποια ειδικά χαρακτηριστικά των πληθυσμών αυτών Για παράδειγμα, Πληθυσμοί «λέμινγκ» σε Σκανδιναβία & Καναδά περιοδική κυκλική ταλάντωση κάθε 4 χρόνια Πληθυσμοί εντόμων όπως η μεταναστευτική ακρίδα της ερήμου περιοδική κυκλική ταλάντωση κάθε 40 χρόνια
Οικολογία πληθυσμών Ωστόσο, οι μαθηματικά προσανατολισμένοι οικολόγοι πρότειναν για την αύξηση των πληθυσμών τη λεγόμενη «σιγμοειδή καμπύλη» Αρχικά δέχτηκαν έντονη κριτική λόγω των υπερ-απλουστευτικών παραδοχών που συνδέονται με την καμπύλη αυτή Τελικά όμως η «σιγμοειδής καμπύλη» έγινε δεκτή ως μία γενική αναπαράσταση του πώς τείνουν να αυξάνονται οι πληθυσμοί όταν οι συνθήκες είναι ευνοϊκές
Οικολογία πληθυσμών Είναι σημαντικό να συνειδητοποιεί κανείς ότι η σιγμοειδής καμπύλη, όπως άλλωστε και γενικότερα τα μαθηματικά μοντέλα για τους πληθυσμούς, είναι δυνατόν να λειτουργήσουν ως χρήσιμα επιστημονικά εργαλεία, αλλά με μία βασική προϋπόθεση - ότι αναγνωρίζουμε τους περιορισμούς που συνήθως έχουν Ποιους περιορισμούς αναφορικά με τη σιγμοειδή καμπύλη αναδεικνύει η νατουραλιστική οπτική;;; Η καμπύλη δεν λαμβάνει υπόψη της τις «ανεξήγητες» ταλαντώσεις των πληθυσμιακών μεγεθών στη φύση Δείχνει τον πληθυσμό να φτάνει και να μένει σε ένα μέγεθος προκαθορισμένο από τις δυνατότητες του οικοσυστήματος
Η «σιγμοειδής καμπύλη» Στην αρχή ( και αφού περάσει ένα μικρό διάστημα), όταν οι συνθήκες είναι ιδανικές το μέγεθος αυξάνει όλο και πιο γρήγορα, «εκθετικά» όπως λέμε (βλ. ) Στη συνέχεια, το μέγεθος αυξάνει όλο και πιο αργά (βλ. ) Τέλος, το μέγεθος «σταθεροποιείται» σε ένα «μέγιστο μέγεθος» («μέγεθος ισορροπίας») οι πληθυσμοί δεν αυξάνονται επ αόριστο (βλ. )
Η «σιγμοειδής καμπύλη» & η «φέρουσα ικανότητα» Ο χρόνος που χρειάζεται ένας συγκεκριμένος πληθυσμός για να φτάσει στο μέγιστο μέγεθος που μπορεί να φτάσει σε ένα συγκεκριμένο οικοσύστημα (δηλ. ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει στο λεγόμενο... «μέγεθος ισορροπίας» του) μπορεί να επηρεάζεται από δικά του χαρακτηριστικά όπως π.χ. o o χρόνος αναπαραγωγικής ωριμότητας ή αριθμός απογόνων Το «μέγιστο μέγεθος» ενός πληθυσμού σε ένα οικοσύστημα («μέγεθος ισορροπίας») επηρεάζεται από παράγοντες που έχουν σχέση με το οικοσύστημα διαθεσιμότητα πόρων (π.χ. τροφή, χώρος, φως) συνθήκες (π.χ. κλίμα, συγκεντρώσεις τοξικών ουσιών) σχέσεις με άλλους πληθυσμούς (π.χ. ανταγωνισμός, θήρευση)
Η «φέρουσα ικανότητα» Το σύνολο όλων αυτών των παραγόντων καθορίζει τη «φέρουσα ικανότητα» ή αλλιώς «περιβαλλοντική αντοχή» ή αλλιώς το «K» ενός οικοσυστήματος για ένα συγκεκριμένο πληθυσμό
Η «φέρουσα ικανότητα» Το «μέγιστο μέγεθος» ενός πληθυσμού σε ένα συγκεκριμένο οικοσύστημα (αλλιώς «μέγεθος ισορροπίας») δεν είναι δυνατόν να αυξηθεί με περιοδική ενίσχυση ενός άλλου πληθυσμού ο οποίος αποτελεί τροφή για τον πρώτο Θυμηθείτε ότι στην προσομοίωση που είδατε στην τάξη. δεν καταφέρατε να έχετε έναν μεγαλύτερο πληθυσμό μικρών ψαριών στη λίμνη όταν καταφύγατε σε περιοδική προσθήκη φυκών, o αφού και τα φύκη αποτελούν έναν άλλο πληθυσμό για τον οποίο υπάρχουν επίσης περιορισμοί μεγέθους λόγω όλων εκείνων των παραγόντων που ορίσαμε ως «φέρουσα ικανότητα» του οικοσυστήματος Με άλλα λόγια, μόνο σε ένα οικοσύστημα με μεγαλύτερη «φέρουσα ικανότητα» για τον πληθυσμό των μικρών ψαριών, θα μπορούσαμε να έχουμε ένα μεγαλύτερο «μέγεθος ισορροπίας» του πληθυσμού αυτού δηλαδή σε μία άλλη λίμνη μεγαλύτερη με δυνατότητα συντήρησης περισσότερων φυκών
Η σχέση ρυθμού γεννήσεων & ρυθμού θανάτων στις 3 φάσεις της καμπύλης αύξησης ενός πληθυσμού (σιγμοειδής καμπύλη) Είδαμε ότι σύμφωνα με τη σιγμοειδή καμπύλη το μέγεθος ενός πληθυσμού - αρχικά αυξάνει όλο και πιο γρήγορα - στη συνέχεια αυξάνει όλο και πιο αργά - και τέλος σταθεροποιείται Όπως είδαμε στην αντίστοιχη προσομοίωση, ο ρυθμός των γεννήσεων - αρχικά είναι πολύ μεγαλύτερος από το ρυθμό των θανάτων - στη συνέχεια γίνεται λιγότερο μεγαλύτερος από το ρυθμό θανάτων καθώς ο ρυθμός θανάτων αυξάνει ενώ ο ρυθμός γεννήσεων μειώνεται - και τέλος γίνεται ίσος με το ρυθμό των θανάτων με αποτέλεσμα το μέγεθος του πληθυσμού να μην αυξάνει πια: μέγεθος ισορροπίας Άρα σε κάθε φάση αύξησης του πληθυσμού υπάρχει - διαφορετική σχέση μεταξύ ρυθμού γεννήσεων και ρυθμού θανάτων
Ο ανταγωνισμός & το μέγεθος των πληθυσμών: το παράδειγμα δύο ειδών Paramecium που χρησιμοποιούν κοινούς πόρους Μονοκύτταρος οργανισμός που ζει σε υδάτινα οικοσυστήματα και τρέφεται με βακτήρια & ζύμες Σε ξεχωριστές καλλιέργειες: ίδιο το πρότυπο αύξησης για τους 2 Στην ίδια καλλιέργεια:ο ένας από τους δύο δεν επιβιώνει Ο πληθυσμός-είδος που επιβιώνει είναι αυτός που ανταγωνίζεται με μεγαλύτερη επιτυχία για τον πόρο «τροφή» όταν αναγκάζεται να τον «μοιραστεί» με έναν 2 ο πληθυσμό «Ανταγωνιστικός αποκλεισμός»
Η θήρευση Η απομάκρυνση από ένα οικοσύστημα ενός πληθυσμού που δρα ως θηρευτής δύο άλλων πληθυσμών οι οποίοι βρίσκονται στο ίδιο τροφικό επίπεδο (π.χ. είναι καταναλωτές 1 η τάξης όπως τα μικρά ψάρια και το ζωοπλαγκτόν στη λίμνη με το μοντέλο της οποίας δουλέψαμε στην τάξη) μπορεί... να προκαλέσει αύξηση στο μέγεθος ισορροπίας και των 2 πληθυσμών ( όπως είναι λογικό) να προκαλέσει αύξηση στο μέγεθος ισορροπίας του ενός και μείωση στο μέγεθος ισορροπίας του άλλου - θυμηθείτε ότι στην προσομοίωση που είδαμε στην τάξη απουσία του πληθυσμού των μεγάλων ψαριών (=θηρευτής), τα μικρά ψάρια (= θήραμα 1) αυξήθηκαν τόσο που ανταγωνίζονταν αποτελεσματικότερα από το ζωοπλαγκτόν (=θήραμα 2) για την κοινή τους τροφή (= τα φύκη) με αποτέλεσμα ο πληθυσμός του ζωοπλαγκτού να μειωθεί, να «ισορροπήσει» δηλαδή σε χαμηλότερο μέγιστο μέγεθος από εκείνο στο οποίο ισορροπούσε παρουσία του θηρευτή
Η θήρευση Η σχέση ενός πληθυσμού θηράματος με έναν πληθυσμό θηρευτή χαρακτηρίζεται από συνεχείς αυξομειώσεις του μεγέθους και των δύο πληθυσμών Ο πληθυσμός των θηρευτών δεν είναι απαραίτητα «κακός» για τον πληθυσμό των θηραμάτων Αντίθετα, στην ουσία συμβάλλει μακροπρόθεσμα στην επιβίωσή του Θυμηθείτε ότι στην προσομοίωσή μας - όταν απομακρύναμε από τη λίμνη με την τροφική αλυσίδα «φύκη μικρά ψάρια μεγάλα ψάρια» τον πληθυσμό των μεγάλων ψαριών που ήταν θηρευτές του πληθυσμού των μικρών ψαριών, τότε ο πληθυσμός των μικρών ψαριών αυξήθηκε απότομα τόσο πολύ που ο πληθυσμός των φυκών που αποτελούσε την τροφή του δεν μπορούσε πια να τον στηρίξει. Έτσι, απουσία του θηρευτή του, ο πληθυσμός των μικρών ψαριών εξαφάνισε τα φύκη και εξαφανίστηκε τελικά και ο ίδιος
Η σχέση «θηρευτής - θήραμα» αναλυτικά Ο πληθυσμός των θηραμάτων αναπαράγεται & αυξάνει έχοντας διαθέσιμη τροφή (1) Η αύξηση του μεγέθους του πληθυσμού των θηραμάτων σημαίνει αύξηση διαθέσιμης τροφής για τον πληθυσμό των θηρευτών: αναπαραγωγή & αύξηση (2) Έτσι όμως υπάρχουν πολλοί θηρευτές και καταναλώνουν πολλά θηράματα: μείωση πληθυσμού των θηραμάτων (3) Τώρα όμως υπάρχουν λίγα μόνο θηράματα και οι θηρευτές έχουν πρόβλημα τροφής και άρα επιβίωσης: μείωση (4) Με λιγότερους θηρευτές, θα επιβιώσουν και θα αναπαραχθούν περισσότερα θηράματα : αύξηση (5)
Η «Θήρευση»: θηρευτές «Θηρευτές» είναι τα ζώα που σκοτώνουν άλλα ζώα, τα «θηράματα», για να τα χρησιμοποιήσουν ως τροφή Ποιες είναι οι «στρατηγικές» των θηρευτών; - συνεργασία - στόχος η «εύκολη» λεία άτομα νεαρά, ηλικιωμένα, ασθενή, τραυματισμένα - στόχος τα μεγάλα θηράματα περισσότερη τροφή ανά θηρευτή σε κάθε επιτυχή επίθεση στο θήραμα - εναλλακτικά θηράματα - μετανάστευση σε περιοχές με αφθονία θηραμάτων
Η «Θήρευση»: θηράματα Ποιες είναι οι «στρατηγικές» των θηραμάτων για να αποφεύγουν τους θηρευτές τους; - ταχύτητα (τρέχουν, κολυμπούν, πετούν γρήγορα) - ομαδική διαβίωση (π.χ. αντιλόπες) - κακή γεύση ως τροφή - «αντεπίθεση» (π.χ. μέλισσες) - χρωματικές προσαρμογές για καμουφλάζ ή εκφοβισμό
Η «θήρευση» ως παράγοντας φυσικής επιλογής Τα θηράματα που επιβιώνουν είναι συνήθως τα καλύτερα προσαρμοσμένα Αυτά - σε αντίθεση με εκείνα που δεν επιβιώνουν λόγω θήρευσης - έχουν την ευκαιρία να αναπαραχθούν Δηλαδή. να περάσουν τα γονίδιά τους στην επόμενη γενιά Η φυσική επιλογή λοιπόν δρα ενάντια στα «ασθενέστερα» άτομα, τα λιγότερο καλά προσαρμοσμένα
Οι πληθυσμοί του ανθρώπου Τεράστιος ο ρυθμός αύξησης τα τελευταία 300 χρόνια Παλιότερα: περιοριστικοί παράγοντες - έλλειψη τροφής - ασθένειες - πόλεμοι - έλλειψη στέγης Πρόσφατα: άρση περιοριστικών παραγόντων - βελτίωση στη γεωργία - δημόσια υγιεινή - ιατρική - φαρμακευτική Μείωση παιδικής θνησιμότητας Αύξηση μέσου όρου ζωής
Οι εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν για τις διαφάνειες του μαθήματος ανήκουν στα βιβλία: Biology For You Gareth Williams (Stanley Thornes Pbs) Biology: A Critical Thinking Approach Robert D. Allen (WCB Pbs) Concepts in Biology Enger E., Kormelink R., Ross F., Smith R. (WCB Pbs)