Динамика популяций и её регуляция (биотический потенциал, сопротивление среды) — урок 3 темы «Популяция в экологии: структура, динамика, ниша», биология ЕГЭ

Биотический потенциал — максимально возможная скорость роста популяции при отсутствии ограничений (у бактерий и насекомых огромен). В природе рост сдерживает сопротивление среды (нехватка ресурсов, хищники, болезни, климат).

Моделирование динамики популяций. В экспоненциальной модели прирост пропорционален численности: \(\Delta N/\Delta t = rN\), где \(r\) — удельная скорость роста (разность рождаемости и смертности в расчёте на особь); её наибольшее значение при неограниченных ресурсах выражает биотический потенциал. Логистическая модель (П. Ферхюльст) учитывает ёмкость среды \(K\):

Маркеры ЕГЭ. «Рост до плато» → S-образная кривая и ёмкость среды; «взрывной рост и обвал» → J-образная; «конкуренция и болезни при высокой плотности» → регуляция, зависящая от плотности; «многочисленное потомство без заботы» → r-стратегия; «немногочисленное потомство и забота» → K-стратегия; «наибольший прирост при средней численности» → логистическая модель (около K/2); «максимальная скорость роста без ограничений» → биотический потенциал.

Кривая	Суть
J-образная (экспоненциальная)	Рост без ограничений при обилии ресурсов (заселение нового местообитания, вспышка вредителей); заканчивается крахом численности
S-образная (логистическая)	Рост замедляется по мере приближения к ёмкости среды (K) — численности, которую среда может устойчиво поддерживать; модель: медленный старт → быстрый рост → плато
Колебания (популяционные волны)	Сезонные и многолетние (лемминги — 3–4 года, зайцы и рыси — ~10 лет, саранча); модель «хищник — жертва» Лотки — Вольтерры: волны численности хищника отстают от волн жертвы

Регуляция численности: факторы, зависящие от плотности (внутривидовая конкуренция, хищники, паразиты, болезни, стресс при скученности, самоизреживание растений — усиливаются с ростом плотности и возвращают численность к норме — отрицательная обратная связь) и не зависящие от плотности (погода, катастрофы, пожары — действуют одинаково при любой численности). Экологические стратегии: r-стратеги — мелкие, быстро размножающиеся, короткоживущие, без заботы о потомстве, заселяют нарушенные места (бактерии, тли, мыши, одуванчик); K-стратеги — крупные, долгоживущие, мало потомков с заботой, стабильные популяции у ёмкости среды (слон, кит, человек, дуб).

Пока особей мало, рост почти экспоненциальный; при \(N = K/2\) прирост за единицу времени наибольший; при приближении \(N\) к \(K\) рост прекращается. Модель Лотки — Вольтерры описывает связанные колебания численности хищника и жертвы. По моделям рассчитывают допустимый промысел (выгоднее всего изымать прирост, поддерживая численность около половины ёмкости среды) и прогнозируют вспышки вредителей.

Колебания численности бывают сезонными (насекомые, грызуны) и многолетними (циклы «хищник — жертва», массовые размножения вредителей). Резкие колебания — популяционные волны — случайно меняют генофонд и усиливают дрейф генов, поэтому имеют и эволюционное значение.

Регуляция численности: факторы, зависящие от плотности (внутривидовая конкуренция, хищники, паразиты, болезни, стресс при скученности, самоизреживание растений — усиливаются с ростом плотности и возвращают численность к норме — отрицательная обратная связь) и не зависящие от плотности (погода, катастрофы, пожары — действуют одинаково при любой численности). Экологические стратегии: r-стратеги — мелкие, быстро размножающиеся, короткоживущие, без заботы о потомстве, заселяют нарушенные места (бактерии, тли, мыши, одуванчик); K-стратеги — крупные, долгоживущие, мало потомков с заботой, стабильные популяции у ёмкости среды (слон, кит, человек, дуб).