estrutura e dinâmica de populações -...

Estrutura e dinâmica de

populações

BIE-212: Ecologia

Licenciatura em Geociências e Educação Ambiental

Programa

Introdução

Módulo I: Organismos

Módulo II: Populações

Dinâmica de populações

Interações entre populações I

Interações entre populações II

Módulo III: Comunidades

Módulo IV: Ecossistemas

Populações: Estrutura e dinâmica

1. Introdução

2. Estrutura espacial

3. Estrutura sexual e etária

3.1. Pirâmide etária

3.2. Curvas de sobrevivência

3.3. Estratégias reprodutivas

4. Dinâmica de populações

4.1. Modelo de crescimento exponencial

4.2. Modelo de crescimento logístico

4.3. Fatores limitantes do crescimento

4.4. Flutuações populacionais

5. Aspectos aplicados

5.1. Metapopulações

5.2. Controle populacional

6. Resumo

ORGANISMO

COMUNIDADE

ECOSSISTEMA BIOSFERA

Introdução

POPULAÇÃO

Uma população é um grupo de indivíduos da mesma espécie que vivem uma

mesma área ao mesmo tempo

Introdução

Populações podem ser caracterizadas quanto à sua estrutura:

• Espacial

• Etária

• SexualPadrões demográficos

Padrões de dispersão

Uma população tem propriedades coletivas, tais como:

• Fronteiras geográficas

• Densidade

• Taxa de crescimento

Cerrado: 3,6 ± 0,8 indivíduos / 100 km2

Estrutura espacial

Agregada Aleatória Regular

• Estrutura social

• Reprodução vegetativa

• Dispersão de curto alcance

• Concentração de recursos

• Interação negativa entre

os indivíduos (alelopatia,

territorialidade, exploração

de recursos)

• Sem tendências de formar

grupos

• Distribuição desigual de

recursos e condições

PADRÕES DE DISTRIBUIÇÃO

Estrutura espacial

Regular Agregada

Aleatória

Aleatória

Estrutura espacial

1 Km

PADRÕES DE DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL SÃO DEPENDENTES

DE ESCALA!

Agregada

Homens Mulheres Homens Mulheres Homens Mulheres

Crescimento rápido Crescimento lento Sem crescimento

Idade reprodutiva

menos de 5

Porcentagem da população Porcentagem da população Porcentagem da população

Estrutura sexual e etária

PIRÂMIDE ETÁRIA

Coorte


• As curvas de sobrevivência expressam a quantidade de indivíduos em

uma população que sobrevivem ao longo do tempo

• As curvas de sobrevivência são classificadas em três tipos:

Tipo I: a mortalidade é maior em idades mais avançadas

Tipo II: a mortalidade é distribuída eqüitativamente por todas as idades

Tipo III: a mortalidade é maior nos estágios iniciais da vida

CURVAS DE SOBREVIVÊNCIA



JOVEM VELHO

TIPO III

TIPO II

TIPO ILo

g (

Nú

mero d

e s

ob

reviv

en

tes)

0,1

1

10

100

1000

Expectativa de vida



Turdus philomelos

Turdus merula

Turdus migratorius

Homo sapiens (EUA) Spergula vernalis

TIPO III TIPO I TIPO II

Estratégias reprodutivas

SEMÉLPARO (ANUAL)

MorteAno 1

Fase juvenil

Esfo

rço

Repro

dutivo

Fase reprodutiva

SEMÉLPARO(Uma única estação reprodutiva)

Morte

Ano 1 Ano 2 Ano 3 Ano n

Fase juvenil

Esfo

rço

Repro

dutivo

Fase reprodutiva

Esfo

rço

Repro

dutivo

Morte

Ano 1 Ano 2 Ano 3 Ano t

Fase juvenil

Fase reprodutiva

ITERÓPARO (Estações reprodutivas

discretas)

Morte

Ano 1 Ano 2 Ano 3 Ano t

Fase juvenil

Esfo

rço

Repro

dutivo

Fase reprodutiva

ITERÓPARO (Reprodução contínua)

Estratégias reprodutivas

Dispersão de sementes eficiente

Muitas sementes pequenas

Crescimento rápido

DENTE-DE-LEÃO

CARVALHO

Vida curta

Tamanho pequeno

Tamanho grande

Crescimento lento

Ambientes instáveis e imprevisíveis

Poucas sementes grandes

Vida curta

Ambientes estáveis e previsíveis

Espéciesr-estrategistas

EspéciesK-estrategistas

Muitas vezessemélparas

Tendência aiteroparidade

(muitos eventos

reprodutivos)

CONTÍNUO

Dispersão de sementes limitada


Quatro fatores promovem mudanças no tamanho de uma população:

Emigração

Imigração

Mortalidade

Natalidade

Premissas ou Pressupostos: suposição sobre como o sistema funciona


Modelos: representações simplificadas da estrutura e funcionamento de um sistema de interesse

Explicação: modelos servem para o entendimento de processos que geram

padrões observados

Previsão: modelos geram previsões sobre os efeitos de mudanças no sistema

Equações: expressam de forma lógica e objetiva relações entre grandezas que

podem ser medidas independentemente (num experimento, por exemplo)

Premissas ou Pressupostos: específicas de cada modelo


Modelo de Crescimento Populacional

Explicação: entender como o número de indivíduos varia ao longo do tempo

Previsão: tamanho da população no tempo t

Equações: equação exponencial e equação logística


Emigração

Imigração

Mortalidade

Natalidade B

D

i

e

ENTRADA

SAÍDA

ΔN = (B + i) – (D + e)

ENTRADA SAÍDA

Crescimento populacional (ΔN)

ΔN > 0: população aumentando

ΔN = 0: população com tamanho constante

ΔN < 0: população em declínio


• Pressupondo que “e” e “i” são iguais a zero:

ΔN = B – D

• Como B e D dependem do tamanho da população:

B = bN D = dN

b = taxa de natalidade instantânea [nascimentos / (indivíduo * tempo)]

d = taxa de mortalidade instantânea [mortes / (indivíduo * tempo)]

ΔN = (b – d) N ΔN = r N

r = taxa intrínseca de crescimento [indivíduos / (indivíduo * tempo)]


r

[ind. / (ind. * dia)]

Bactéria (E. coli) 58,7

Protozoário (Paramecium) 1,59

Hidra (Hydra) 0,34

Besouro (Tribolium castaneum) 0,101

Ratazana (Rattus norvegicus) 0,015

Vaca (Bos taurus) 0,001

Mangue (Avicennia marina) 0,0006

A taxa intrínseca de crescimento populacional varia

entre espécies...

...e também entre populações da mesma espécie!

(exemplo: populações humanas em diferentes países)


• O modelo de crescimento exponencial descreve uma população que se

multiplica por um fator constante (r) durante intervalos de tempo

constantes e cujo crescimento depende do número de indivíduos que já

existem na população

• O modelo de crescimento exponencial se aplica a populações que

crescem sob condições ideais, com recursos ilimitados (sem qualquer

ação limitante do ambiente)

• Na natureza, o crescimento exponencial é observado apenas durante um

curto período de tempo ou em condições especiais

MODELO DE CRESCIMENTO EXPONENCIAL


Colonização de habitats desabitados ou livre de competidores


Nrdt

dN

A equação de crescimento populacional exponencial expressa a taxa de mudança populacional como o produto de r e N

Mudança no número de indivíduos

Mudança no tempo

Taxa per capta de aumento populacional

Número de indivíduos

A taxa de mudança populacional é igual a...

...a taxa per capta de aumento populacional vezes o número de indivíduos na

população


N Tempo (min)

1 0

2 20

4 40

8 60

Tempo N

CRESCIMENTO EXPONENCIAL

Tempo (min)

Nú

mero

de b

acté

rias

Nt = 2tNr

dt

dN

6 bilhões em 1999

Peste

bubônica

Revolução

Industrial

Avanços científicos

(medicina)

Anos Anos

Nú

me

ro d

e i

nd

ivíd

uo

s (

bil

hõ

es

)

AC DC

População humana mundial



• Na natureza, fatores limitantes atuam restringindo o crescimento indefinido

das populações, que raramente crescem de acordo com o seu potencial biótico

SE LEMBRARMOS DA ÚLTIMA AULA...


MODELO DE CRESCIMENTO LOGÍSTICO

• O modelo de crescimento logístico descreve uma população que se multiplica

por um fator r ao longo do tempo e cuja taxa de crescimento (ΔN) depende do

número de indivíduos que já existem na população (N)

Tempo (dias)

Ind

ivíd

uo

s/m

l

Tempo (anos)

Ind

ivíd

uo

s (

x 1

00

0)


Crescimento exponencial

Crescimento logístico

Capacidade

suporte

Nú

mero

de in

div

ídu

os

Tempo

O modelo logístico descreve uma situação

mais realista na qual a população cresce

por um tempo de forma exponencial até

que um ou mais fatores ambientais limitam

seu crescimento

Capacidade suporte (K) é o limite máximo de indivíduos que pode ser

mantido pelos recursos disponíveis em uma certa área

Tempo

In

div

ídu

os (

x 1

00

0)



K



-

K

N1rN

dt

dN

Restrição imposta

pelo ambiente

Potencial para

crescimento exponencial


Tempo (dias)

Ind

ivíd

uo

s/5

0 m

l

K

A força do freio aumenta à

medida que a população se

aproxima da capacidade de

suporte (K)

-

K

N1rN

dt

dN

Suponha que K = 140 e N = 120

[1 – (N / K)] = [1 – (120 / 140)] = 0,14

dN/dt = rN (0,14)


[1 – (N / K)] = [1 – (140 / 140)] = 0

dN/dt = rN (0)


[1 – (N / K)] = [1 – (30 / 140)] = 0,79

dN/dt = rN (0,79)


[1 – (N / K)] = [1 – (5 / 140)] = 0,96

dN/dt = rN (0,96)

Se N ≈ 0, então (1-N/K) ≈ 1 dN/dt ≈ rN (≈ crescimento exponencial)

dN/dt = 0 (crescimento cessa)

dN/dt < 0 (população decresce)

Se N = K, então (1-N/K) = 0

Se N > K, então (1-N/K) < 0

FATORES QUE LIMITAM O CRESCIMENTO

POPULACIONAL


1. Fatores dependentes de densidade: são aqueles que se intensificam quando

o tamanho populacional aumenta

2. Fatores independentes de densidade: são aqueles cuja intensidade não está

relacionada ao tamanho populacional

Promovem um controle intrínseco

do crescimento populacional

Promovem um controle extrínseco

do crescimento populacional



POPULACIONAL

Inversamente

dependente da

densidade

Diretamente

dependente da

densidade

Independente

Sobrevivência,

fecundidade, taxa

de natalidade

Fenômenos

climáticos, eventos

catastróficos

Mortalidade,

competição, predação,

parasitismo

Ta

ma

nh

o m

éd

io d

a n

inh

ad

a

So

bre

viv

en

tes

(%

)

Número de casais Densidade (ind./0,5 g de farinha)

Decréscimo na taxa de natalidade com o

aumento da densidade populacionalAumento na taxa de mortalidade com o

aumento da densidade populacional

EFEITOS DEPENDENTES DE DENSIDADE


Cultivos experimentais de Linum sp.

Taxa de crescimento individual decresce com a densidade


Classes de peso seco (g)

Fre

qü

ên

cia

(%

)

60 sementes/m2 1140 sementes/m2 3600 sementes/m2

Média Média

Média


Nascimentos de gêmeos em gazelas aumenta quando a densidade

populacional está baixa




Nú

mero

de c

up

ins p

or

revo

ad

a (

x 1

000)

1980 1981 1982 1983

Estações reprodutivas

EFEITOS INDEPENDENTES DE DENSIDADE


EFEITOS INDEPENDENTES DE DENSIDADE

0

100

200

300

400

500

600

700

MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ JAN FEV MAR ABR

Meses

Nú

mero d

e i

nd

. cap

turad

os

População de uma aranha de solo no campo sujo do cerrado em Itirapina

FLUTUAÇÕES POPULACIONAIS


Flutuações no número de indivíduos são mais freqüentes do que crescimento

ilimitado ou constância no tamanho de populações

Na prática, não se verifica constância na disponibilidade de recursos

(restritos ou não) ou nas condições ambientais

População de Parus major na Inglaterra

População fonte em um habitat favorável

População sumidouro em um habitat de baixa qualidade

Indivíduo dentro de uma população

Evento de dispersão

METAPOPULAÇÕES

Conjunto de populações espacialmente disjuntas entre as quais existe

alguma migração

Aspectos aplicados

METAPOPULAÇÕES

SUMIDOURO

FONTE

MATRIZ

(pasto)

Matriz permeável

Matriz impermeável

EXTINÇÃO

LOCAL

FRAGMENTO

MATA

CONTÍNUA

Vulnerabilidade das espécies à

fragmentação florestal

Aspectos aplicados

Aspectos aplicados

CONTROLE POPULACIONAL

1900 1920 1940 1960 1980

Ano

0

2.000

4.000

6.000

8.000

Po

pu

lação

de e

lefa

nte

s

CONTROLE POPULACIONAL

Para controlar o excesso de elefantes em seu território, a África

do Sul retomará em maio o sacrifício seletivo desses animais,

que vigorou entre 1967 e 1994 matando 14.562 deles, de acordo

com dados oficiais. [...] A superpopulação dos vorazes elefantes

arrasa a vegetação natural e faz faltar comida para outros

animais que habitam o parque.

Aspectos aplicados

VANTAGENS DO USO DE MODELOS

• Simulação de tendências reais usando parâmetros simples

• Análise rápida de tendências, evitando longas mensurações na natureza

Resumo

Crescimento exponencial

Crescimento logístico

Capacidade

suporte

Nú

mero

de in

div

ídu

os

Tempo

MODELOS DE CRESCIMENTO POPULACIONAL

Resumo


POPULACIONAL

Inversamente

dependente da

densidade

Diretamente

dependente da

densidade

Independente

Sobrevivência,

fecundidade, taxa

de natalidade

Fenômenos

climáticos, eventos

catastróficos

Mortalidade,

competição, predação,

parasitismo

INTERVALO!

VOLTAMOS EM

20 MINUTOS

MARCAÇÃO-RECAPTURA

P

P

M

1 2 3

4 5 6


1

2

3

4

5

6

P

M/P


1

2

3

4

5

6

P

1

2

c

m

M/P = m/c P = Mc/m P = 6*6/2 = 18

= 22


ESTIMATIVA DE TAMANHO POPULACIONAL

O tamanho de uma população pode ser estimado por várias técnicas, entre as

quais a “marcação e recaptura” é a mais conhecida. O método de Lincoln-

Petersen se baseia no seguinte princípio: se um determinado número de

indivíduos de uma população for marcado (M) e libertado, em uma segunda

captura, a relação entre o número de marcados (m) e o número total de

capturados (c) é proporcional à relação entre o número total de marcados (M) e o

número total da população (P).

PERGUNTA

Qual o principal motivo para as diferenças de estimativas entre os grupos 1-5 e

6-11? Discuta como esse fator pode afetar as estimativas do tamanho

populacional.

Grupo M c Média m P

1 10 10

2 10 10

3 10 10

4 10 10

5 10 10

6 40 40

7 40 40

8 40 40

9 40 40

10 40 40

11 40 40

Premissas

• Tudo que precisa ser verdade para que

sua hipótese ou argumento também sejam

válidos

CONDIÇÕES

(ou premissas para que o método funcione!)

(1) A probabilidade de captura deve ser igual para todos os indivíduos de uma

população

(2) O número de capturas e recapturas deve ser elevado

(3) As populações devem ser fechadas, ou seja, sem movimentos migratórios e

sem nascimentos/mortes

(4) As marcações não devem afetar os organismos, particularmente no que diz

respeito à sua sobrevivência e probabilidade de recaptura

(5) Os indivíduos marcados devem se distribuir homogeneamente na população

(6) As marcas dos indivíduos não podem se perder ao longo do tempo

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