Ecologia populațiilor este studiul modului în care populațiile – de plante, animale și alte organisme – se schimbă în timp și spațiu și interacționează cu mediul lor. Populațiile sunt grupuri de organisme din aceeași specie care trăiesc în aceeași zonă și în același timp. Ele sunt descrise prin caracteristici care includ:
- mărimea populației: numărul de indivizi din populație
- densitatea populației: câți indivizi se află într-o anumită zonă
- creșterea populației: modul în care mărimea populației se schimbă în timp.
Dacă creșterea populației este doar una dintre numeroasele caracteristici ale populației, ce face ca studiul acesteia să fie atât de important?
În primul rând, studierea modului în care și a motivelor pentru care populațiile cresc (sau se micșorează!) îi ajută pe oamenii de știință să facă predicții mai bune cu privire la schimbările viitoare ale dimensiunilor populației și ale ratelor de creștere. Acest lucru este esențial pentru a răspunde la întrebări în domenii precum conservarea biodiversității (de exemplu, populația de urși polari este în scădere, dar cât de repede și când va fi atât de mică încât populația să fie în pericol de dispariție?) și creșterea populației umane (de exemplu, cât de repede va crește populația umană și ce înseamnă acest lucru pentru schimbările climatice, utilizarea resurselor și biodiversitate?).
Studiul creșterii populației îi ajută, de asemenea, pe oamenii de știință să înțeleagă ce cauzează schimbările în dimensiunile și ratele de creștere ale populației. De exemplu, oamenii de știință din domeniul pescuitului știu că unele populații de somon sunt în declin, dar nu știu neapărat de ce. Sunt populațiile de somon în declin pentru că au fost pescuite excesiv de către oameni? A dispărut habitatul somonului? S-au schimbat temperaturile oceanelor, ceea ce face ca mai puțini somoni să supraviețuiască până la maturitate? Sau, poate chiar mai probabil, este vorba de o combinație a acestor lucruri? Dacă oamenii de știință nu înțeleg care este cauza declinului, este mult mai dificil pentru ei să facă ceva în acest sens. Și nu uitați, a afla ce nu afectează probabil o populație poate fi la fel de informativ ca și a afla ce o face.
În cele din urmă, studierea creșterii populației le oferă oamenilor de știință o perspectivă asupra modului în care organismele interacționează între ele și cu mediile lor. Acest lucru este deosebit de semnificativ atunci când se ia în considerare impactul potențial al schimbărilor climatice și al altor modificări ale factorilor de mediu (cum vor răspunde populațiile la schimbarea temperaturilor? La secetă? Va prospera o populație după ce o alta va scădea?).
Ok, studiul creșterii populației este important…de unde să începem?
Bazele creșterii populației și bizonul american
Bisonul din câmpiile americane (Bison bison bison) este un simbol iconic al Vestului american. Se estimează că regiunea câmpiilor din Statele Unite a susținut inițial o populație de 15 până la 100 de milioane de bizoni (Dary 1989, Shaw 1995). De-a lungul anilor 1800, vânătorii, ajutați de progresele în domeniul transportului și al armelor, au decimat populațiile de bizoni sălbatici, iar până în 1889, mai rămăseseră doar aproximativ o mie de bizoni (Hornaday 1889).
Guvernul SUA, împreună cu proprietarii de terenuri private, a început încercările de a salva bizonul american de la dispariție prin înființarea unor turme protejate la sfârșitul anilor 1800 și începutul anilor 1900. Turmele au început cu efective mici, dar, având resurse abundente și puțini prădători, au crescut rapid. Populația de bizoni din nordul Parcului Național Yellowstone (YNP) a crescut de la 21 de bizoni în 1902 la 250 în numai 13 ani (Figura 1, Gates et al. 2010).
Creșterea anuală a populației de bizoni din nordul YNP între 1902 și 1915 poate fi descrisă ca o creștere exponențială. O populație care crește exponențial adaugă din ce în ce mai mulți indivizi pe măsură ce dimensiunea populației crește. Bizonii adulți inițiali se împerechează și au pui, acei pui devin adulți care au pui, și așa mai departe. Acest lucru generează o creștere mult mai rapidă decât, să zicem, adăugarea unui număr constant de indivizi la populație în fiecare an.
Creșterea exponențială funcționează prin efectul de pârghie al creșterilor în mărimea populației și nu necesită creșteri ale ratelor de creștere a populației. Turma de bizoni din nordul YNP a crescut la o rată relativ constantă de 18% pe an între 1902 și 1915 (Gates et al. 2010). Acest lucru a însemnat că turma a adăugat doar între 4 și 9 indivizi în primii doi ani, dar a adăugat mai mult de 50 de indivizi până în 1914, când populația era mai mare și mai mulți indivizi se reproduceau. Vorbind de reproducere, frecvența cu care se reproduce o specie poate afecta modul în care oamenii de știință descriu creșterea populației (consultați Figura 2 pentru a afla mai multe).
Puterea creșterii exponențiale merită o privire mai atentă. Dacă ați începe cu o singură bacterie care s-ar putea dubla în fiecare oră, creșterea exponențială v-ar oferi 281.474.977.000.000 de bacterii în doar 48 de ore! Populația de bizoni din YNP a atins un maxim de 5.000 de animale în 2005 (Plumb et al. 2009), dar dacă ar fi continuat să crească exponențial așa cum a făcut-o între 1902 și 1915 (rată de creștere de 18%), astăzi ar exista peste 1,3 miliarde (1.300.000.000.000) de bizoni în turma din YNP. Aceasta este de peste treisprezece ori mai mare decât cea mai mare populație despre care se crede că a cutreierat vreodată întreaga regiune a câmpiilor!
Rezultatele potențiale pot părea fantastice, dar creșterea exponențială apare în mod regulat în natură. Atunci când organismele pătrund în habitate noi și dispun de resurse abundente, așa cum este cazul dăunătorilor agricoli invadatori, al speciilor introduse sau în timpul recuperărilor atent gestionate, cum este cazul bizonului american, populațiile lor cunosc adesea perioade de creștere exponențială. În cazul speciilor introduse sau al dăunătorilor agricoli, creșterea exponențială a populației poate duce la o degradare dramatică a mediului și la cheltuieli semnificative pentru a controla speciile dăunătoare (figura 3).
După boom: Limitele creșterii necontrolate
Pentru fiecare organism – fie că este vorba de plante, animale, viruși sau bacterii – există un set ideal de circumstanțe care ar permite ca o populație a acelui organism să crească, nestingherită, la cea mai mare rată posibilă. Chiar dacă ating temporar ratele maxime de creștere neinhibată, populațiile din lumea naturală ajung în cele din urmă să nu atingă acest ideal. De exemplu, turma de bizoni din nordul Parcului Național Yellowstone nu a crescut până la 1,3 miliarde… de ce nu?
Să ne gândim la condițiile care au permis populației de bizoni să crească între 1902 și 1915. Numărul total de bizoni din turma din YNP ar fi putut să se modifice din cauza nașterilor, a deceselor, a imigrației și a emigrației (imigrația reprezintă indivizii care vin din afara populației, emigrația reprezintă indivizii care pleacă în altă parte). Populația a fost izolată, astfel încât nu a avut loc nicio imigrație sau emigrare, ceea ce înseamnă că doar nașterile și decesele au schimbat mărimea populației. Deoarece populația a crescut, trebuie să fi existat mai multe nașteri decât decese, nu-i așa? Corect, dar acesta este un mod simplu de a spune o poveste mai complicată. Nașterile au depășit decesele în turma de bizoni din nordul YNP între 1902 și 1915, permițând creșterea populației, dar alți factori, cum ar fi structura de vârstă a populației, caracteristicile speciei, cum ar fi durata de viață și fecunditatea, precum și condițiile de mediu favorabile, au determinat cât de mult și cât de repede.
Schimbările factorilor care au permis cândva creșterea unei populații pot explica de ce creșterea încetinește sau chiar se oprește. Figura 4 arată perioadele de creștere, precum și perioadele de declin, a numărului de bizoni din YNP între 1901 și 2008. Creșterea turmei de bizoni din nordul YNP a fost limitată de boli și prădători, de pierderea și fragmentarea habitatului, de intervenția umană și de iernile aspre (Gates et al. 2010, Plumb et al. 2009), ceea ce a dus la o populație actuală care se situează de obicei între 2 500 și 5 000 de exemplare, cu mult sub nivelul de 1.3 miliarde de bizoni pe care o creștere exponențială continuă ar fi putut să o genereze.
Factorii care sporesc sau limitează creșterea populației pot fi împărțiți în două categorii, în funcție de modul în care fiecare factor este afectat de numărul de indivizi care ocupă o anumită zonă – sau densitatea populației. Pe măsură ce mărimea populației se apropie de capacitatea de suport a mediului, intensitatea factorilor dependenți de densitate crește. De exemplu, concurența pentru resurse, prădătorii și ratele de infecție cresc odată cu densitatea populației și pot limita în cele din urmă dimensiunea populației. Alți factori, cum ar fi poluarea, fenomenele meteorologice sezoniere extreme și dezastrele naturale – uragane, incendii, secete, inundații și erupții vulcanice – afectează populațiile indiferent de densitatea acestora și pot limita creșterea populației prin simpla reducere severă a numărului de indivizi din populație.
Ideea că o creștere exponențială neinhibată va fi în cele din urmă limitată a fost formalizată în 1838 de către matematicianul Pierre-Francois Verhulst. În timp ce studia modul în care disponibilitatea resurselor ar putea afecta creșterea populației umane, Verhulst a publicat o ecuație care limitează creșterea exponențială pe măsură ce crește dimensiunea populației. Ecuația lui Verhulst este denumită în mod obișnuit ecuația logistică și a fost redescoperită și popularizată în 1920, când Pearl și Reed au folosit-o pentru a prezice creșterea populației în Statele Unite. Figura 5 ilustrează creșterea logistică: populația crește exponențial în anumite condiții, așa cum a făcut turma de bizoni din nordul YNP între 1902 și 1915, dar este limitată pe măsură ce populația crește spre capacitatea de suport a mediului său. Consultați articolul lui J. Vandermeer (2010) pentru o explicație mai detaliată a ecuațiilor care descriu creșterea exponențială și logistică.
Creșterea logistică este observată în mod obișnuit în natură, precum și în laborator (Figura 6), dar ecologiștii au observat că mărimea multor populații fluctuează în timp, în loc să rămână constantă, așa cum prezice creșterea logistică. Populațiile fluctuante prezintă, în general, o perioadă de creștere a populației, urmată de o perioadă de declin al populației, urmată de o altă perioadă de creștere a populației, urmată de… ați înțeles situația.
Populațiile pot fluctua din cauza ciclurilor sezoniere sau a altor cicluri regulate de mediu (de exemplu, cicluri zilnice, lunare) și, de asemenea, vor fluctua uneori ca răspuns la factorii de creștere a populației dependenți de densitate. De exemplu, Elton (1924) a observat că populațiile de iepure cu zăpadă și de linx din pădurile boreale canadiene au fluctuat în timp într-un ciclu destul de regulat (Figura 7). Mai important, acestea au fluctuat, una după alta, într-un mod previzibil: atunci când populația de iepuri cu potcoavă a crescut, populația de râs a avut tendința de a crește (hrană abundentă pentru râs!); atunci când populația de râs a crescut, populația de iepuri cu potcoavă a avut tendința de a scădea (multă pradă asupra iepurelui!); atunci când iepurele cu potcoavă…(și ciclul continuă).
Este, de asemenea, posibil ca populațiile să scadă până la extincție dacă condițiile schimbătoare determină ca ratele de mortalitate să depășească ratele de natalitate cu o marjă suficient de mare sau pentru o perioadă de timp suficient de lungă. Speciile indigene sunt în prezent în declin la rate fără precedent – un motiv important pentru care oamenii de știință studiază ecologia populațiilor. Pe de altă parte, așa cum s-a văzut în cazul populației de bizoni din YNP, dacă sunt puse la dispoziție noi habitate sau resurse, o populație care a fost în declin sau relativ stabilă pe o perioadă lungă de timp poate cunoaște o nouă fază de creștere rapidă, pe termen lung.
Ce se întâmplă cu creșterea populației umane?
Una dintre cele mai dificile aplicații ale cercetării privind creșterea populației este predicția creșterii populației umane. Populația umană a depășit șase miliarde de oameni în 1999 și se așteaptă să ajungă la nouă miliarde înainte de 2050. Este oarecum surprinzător să ne dăm seama că a fost nevoie de toată istoria omenirii pentru ca populația umană să ajungă la un miliard de oameni – ceea ce s-a întâmplat în jurul anului 1800 -, apoi puțin peste 100 de ani pentru a se dubla la două milioane și doar 40 de ani pentru a se dubla de la trei la șase miliarde! Recenta creștere explozivă (gândiți-vă exponențială!) a fost facilitată de progresele din agricultură, știință și medicină, care au permis unui număr mai mare de oameni să supraviețuiască și să aibă o durată de viață mai lungă (Figura 8).
Creșterea populației umane globale prezentată în Figura 8 pare exponențială, dar vizualizarea creșterii populației în diferite regiuni geografice arată că populația umană nu crește la fel peste tot. Unele țări, în special cele din țările în curs de dezvoltare, cresc rapid, dar în alte țări populația umană crește foarte încet sau chiar se contractă (Figura 9). Studierea caracteristicilor populațiilor care se confruntă cu diferite ritmuri de creștere ajută oamenii de știință și demografii să înțeleagă factorii importanți pentru a prezice creșterea viitoare a populației umane, dar este o sarcină complicată: pe lângă factorii dependenți și independenți de densitate pe care i-am discutat pentru bizonul din nordul Parcului Național Yellowstone și alte organisme, creșterea populației umane este afectată de factori culturali, economici și sociali care determină nu numai modul în care crește populația, ci și capacitatea potențială de suport a Pământului.
Ideea că populația umană ar putea cunoaște limite de creștere a fost formulată în 1798 în lucrarea lui Thomas Malthus „An Essay on the Principle of Population Growth” (Eseu despre principiul creșterii populației) și a generat dezbateri timp de peste 200 de ani. Astăzi, întrebările privind limitele creșterii populației umane rămân fără răspuns. Aceiași factori care au început deja să limiteze creșterea în țările mai dezvoltate ale lumii – de exemplu, scăderea ratei natalității – vor încetini creșterea globală a populației umane? Sau creșterea va continua pe o traiectorie exponențială? În cazul în care creșterea rapidă continuă, populația umană se va apropia în cele din urmă de capacitatea de suport a Pământului și va fi limitată de creșterea numărului de boli și de concurența pentru resurse? Oamenii de știință continuă să studieze procesele de creștere a populației și de demografie pentru a obține informații cu privire la aceste întrebări importante.