Модель роста популяции пытается предсказать популяцию организма, которая воспроизводится в соответствии с установленными правилами. В зависимости от того, сколько раз организм воспроизводится, сколько новых организмов он производит каждый раз и как часто он воспроизводится, модель может предсказать, какой будет популяция в данный момент времени. Для большинства популяций существуют факторы, ограничивающие рост, которые сокращают теоретически возможное население. К ним относятся ограниченные ресурсы, естественная смертность и хищники. Разные типы роста населения подвержены этим ограничениям и требуют различных типов моделей населения для точного прогнозирования численности населения в будущем.
Базовая модель роста населения: экспоненциальный рост
При наличии достаточного количества пищи, воды и других ресурсов, необходимых для жизни, население может увеличиваться в геометрической прогрессии без ограничений. Экспоненциальный рост происходит очень быстро, и живые существа пользуются этой возможностью, когда могут. Например, дрожжевая клетка в растворе сахара будет делиться, чтобы сформировать две клетки, которые затем делятся, чтобы произвести четыре, затем восемь, 16, 32, 64 и так далее. Экспоненциальная кривая растет еще быстрее, когда у таких животных, как кролики, есть несколько детенышей вместо двух. Эти типы кривых роста наблюдаются в реальной жизни только в течение коротких периодов времени, потому что естественные ограничивающие факторы влияют на скорость роста, замедляя ее. Пока действует экспоненциальный рост, популяции, которые испытывают его, увеличиваются или становятся более плотными, независимо от числа, уже включенного в популяцию.
Как ограничивающие факторы замедляют рост населения
Популяции обычно не растут неограниченно, потому что естественные ограничивающие факторы останавливают рост населения. Два ограничивающих фактора - нехватка ресурсов и смертность. Если организмы не могут найти достаточно ресурсов, необходимых для роста и воспроизводства, у них будет меньше или совсем не будет молодняка, и темпы роста популяции снизятся. Если многие в популяции умирают из-за хищников или болезней, темпы роста популяции также снижаются. Если нехватка ресурсов, таких как еда или вода, вызывает высокий уровень смертности, это также ограничивает рост, но механизм в этом случае отличается от недостатка пищи, просто приводящего к меньшему количеству рождений. Ограничивающие факторы оказывают наибольшее влияние на большие популяции, которые быстро растут.
Экспоненциальный рост с ограничивающими факторами приводит к логистическому росту
Модель логистического роста сочетает в себе экспоненциальный рост с ограничивающими факторами, действующими для конкретной популяции. Например, дрожжевые клетки в растворе сахара размножаются, вызывая экспоненциальный рост, но их ограничивающим фактором может быть недостаток пищи. Когда сахар съеден, дрожжевые клетки не могут расти и размножаться. Для некоторых популяций дрожжей вторым ограничивающим фактором является производимый ими алкоголь. Если в растворе много сахара, недостатка в пище не будет, но спирт, производимый дрожжевыми клетками, в конечном итоге убьет их и уменьшит популяцию.
В результате ограничивающих факторов логистический рост начинается с экспоненциального роста, когда популяция небольшая и имеет много еды и воды. По мере роста населения ограничивающие факторы начинают замедлять рост, так как пищу становится все труднее найти. Наконец, логистический рост предсказывает устойчивое состояние, в котором еды и воды достаточно, чтобы поддерживать постоянный уровень численности населения.
Рост населения может быть скорее хаотическим, чем логистическим
Логистический рост основан на постепенном увеличении численности населения до естественных пределов. Слабым местом этой модели роста населения является то, что рост может быть настолько быстрым, что население превышает естественный предел. Например, кролики, у которых есть большой запас травы и воды, как правило, очень часто имеют большие пометы, и их популяция может расти, намного превышая запасы пищи. В этом случае кролики съедают всю пищу и умирают с голоду. Популяция падает почти до нуля, но несколько кроликов выживают. Трава снова отрастает, и цикл повторяется хаотично и непредсказуемо. В реальных жизненных ситуациях возможны как логистические, так и хаотические модели роста населения, но модель экспоненциального роста применима только в течение коротких периодов времени.