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Crescimento e regulação populacional População é um grupo de indivíduos da mesma espécie que vivem juntos em uma área particular e se reproduzem. Assim como um indivíduo cresce ganhando peso, uma população cresce ganhando indivíduos. Vamos construir um modelo matemático simples que prevê o tamanho de uma população (no de indivíduos, N) – modelo de crescimento exponencial – depois aprofundaremos esse modelo considerando a limitação de recursos – modelo de crescimento logístico – e a estrutura etária – modelo de crescimento estruturado (tabelas de vida) O tamanho de uma população (no de indivíduos, N) aumenta devido a O tamanho de uma população (no de indivíduos, N) aumenta devido a nascimentos (B) e diminui devido a mortes (D). O N também muda em função do deslocamento de indivíduos: populações aumentam quando novos indivíduos chegam (I, imigração) e diminuem quando indivíduos residentes partem (E, emigração). O tamanho de uma população (no de indivíduos, N) aumenta devido a nascimentos (B) e diminui devido a mortes (D). O N também muda em função do deslocamento de indivíduos: populações aumentam quando novos indivíduos chegam (I, imigração) e diminuem quando indivíduos residentes partem (E, emigração). Esses quatro fatores podem ser combinados em uma expressão matemática de crescimento populacional: Nt+1 = Nt + B – D + I – E O tamanho de uma população (no de indivíduos, N) aumenta devido a nascimentos (B) e diminui devido a mortes (D). O N também muda em função do deslocamento de indivíduos: populações aumentam quando novos indivíduos chegam (I, imigração) e diminuem quando indivíduos residentes partem (E, emigração). Esses quatro fatores podem ser combinados em uma expressão matemática de crescimento populacional: Nt+1 = Nt + B – D + I – E O tamanho de uma população (no de indivíduos, N) aumenta devido a nascimentos (B) e diminui devido a mortes (D). O N também muda em função do deslocamento de indivíduos: populações aumentam quando novos indivíduos chegam (I, imigração) e diminuem quando indivíduos residentes partem (E, emigração). Esses quatro fatores podem ser combinados em uma expressão matemática de crescimento populacional: O tamanho da população no próximo período de tempo (Nt+1) é igual ao tamanho da população atual (Nt) mais os nascimentos (B) e os imigrantes (I) e menos as mortes (D) e os emigrantes (E) Nt+1 = Nt + B – D + I – E Queremos saber a mudança no tamanho da população (∆N) entre o tempo t (Nt) e o tempo t + 1 (Nt+1): ∆N = B – D + I – E Nt+1 = Nt + B – D + I – E Queremos saber a mudança no tamanho da população (∆N) entre o tempo t (Nt) e o tempo t + 1 (Nt+1): ∆N = B – D + I – E ∆N = B – D Para simplificar, vamos assumir que a população é fechada (não há movimento de indivíduos entre populações – I e E são iguais a zero) Nt+1 = Nt + B – D + I – E Queremos saber a mudança no tamanho da população (∆N) entre o tempo t (Nt) e o tempo t + 1 (Nt+1): ∆N = B – D + I – E ∆N = B – D Para simplificar, vamos assumir que a população é fechada (não há movimento de indivíduos entre populações – I e E são iguais a zero) Vamos também assumir que o crescimento da população é contínuo. Desta forma, o crescimento populacional é medido como mudança do tamanho da população (dN) durante um intervalo de tempo muito curto (dt): 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = B – D 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = B – D Agora, B e D representam, respectivamente, a taxa de natalidade e de mortalidade, ou seja, o no de nascimentos e mortes durante um intervalo de tempo muito curto. 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = B – D B = bN D = dN Uma população de 1000 passarinhos produzirá muito mais ovos do que uma de 25... [nascimentos / (indivíduo . tempo)] Agora, B e D representam, respectivamente, a taxa de natalidade e de mortalidade, ou seja, o no de nascimentos e mortes durante um intervalo de tempo muito curto. Em um intervalo de tempo curto, o no de nascimentos será igual ao produto da taxa de natalidade instantânea (b) pelo N e o no de mortes será igual ao produto da taxa de mortalidade instantânea (b) pelo N. 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = B – D B = bN D = dN Agora, B e D representam, respectivamente, a taxa de natalidade e de mortalidade, ou seja, o no de nascimentos e mortes durante um intervalo de tempo muito curto. Em um intervalo de tempo curto, o no de nascimentos será igual ao produto da taxa de natalidade instantânea (b) pelo N e o no de mortes será igual ao produto da taxa de mortalidade instantânea (b) pelo N. [mortes / (indivíduo . tempo)] [nascimentos / (indivíduo . tempo)] 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = B – D B = bN D = dN 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = (b-d)N Assumindo que b e d são constantes temos que: Agora, B e D representam, respectivamente, a taxa de natalidade e de mortalidade, ou seja, o no de nascimentos e mortes durante um intervalo de tempo muito curto. Em um intervalo de tempo curto, o no de nascimentos será igual ao produto da taxa de natalidade instantânea (b) pelo N e o no de mortes será igual ao produto da taxa de mortalidade instantânea (b) pelo N. 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = (b-d)N 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = rN Igualemos (b – d) à constante r, a taxa de crescimento instantânea ([indivíduos / (indivíduo . unidade de tempo)]): Modelo de crescimento exponencial 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = (b-d)N 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = rN Igualemos (b – d) à constante r, a taxa de crescimento instantânea ([indivíduos / (indivíduo . unidade de tempo)]): Modelo de crescimento exponencial Quando que a população não cresce (dn/dt = 0)? N = 0 ou r = 0 Em todos os outros casos, a população vai aumentar exponencialmente (r > 0) ou diminuir até a extinção (r < 0) 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = (b-d)N 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = rN Modelo de crescimento exponencial Igualemos (b – d) à constante r, a taxa de crescimento instantânea ([indivíduos / (indivíduo . unidade de tempo)]): 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = rN Nt = N0e rt Onde Nt é tamanho populacional no tempo t, N0 é o tamanho populacional inicial e e é uma constante, a base dos logaritmos naturais (e ≈ 2,717) Essa equação nos diz a taxa de crescimento da população, mas não o seu tamanho. No entanto se ela for integrada, o resultado pode ser utilizado para projetar, ou prever, o tamanho da população: Modelo de crescimento exponencial 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = rN Nt = N0e rt Onde Nt é tamanho populacional no tempo t, N0 é o tamanho populacional inicial e e é uma constante, a base dos logaritmos naturais (e ≈ 2,717) Sabendo N0 e o r podemos usar essa equação para prever o tamanho populacional no futuro Essa equação nos diz a taxa de crescimento da população, mas não o seu tamanho. No entanto se ela for integrada, o resultado pode ser utilizado para projetar, ou prever, o tamanho da população: Modelo de crescimento exponencial Trajetórias populacionais calculadas pela equação Nt = N0e rt com base em cinco valores de r r > 0: a população cresce exponencialmente r = 0: a população não cresce r < 0: a população diminui exponencialmente se: Nt = 2N0 2N0 = N0e rt 2 = ert ln(2) = rt t = 𝐥𝐧(𝟐) 𝒓 Tempo de duplicação Um aspecto importante de uma população em crescimento exponencial é que ela tem um tempo de duplicação constante. Podemos derivar uma equação para o tempo de duplicação: Nt = N0e rt se: Nt = 2N0 2N0 = N0e rt 2 = ert ln(2) = rt t = 𝐥𝐧(𝟐) 𝒓 Tempo de duplicação Um aspecto importante de uma população em crescimento exponencial é que ela tem um tempo de duplicação constante. Podemos derivar uma equação para o tempo de duplicação: Nt = N0e rt Quanto maiorr, menor o tempo de duplicação 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = rN Nt = N0e rt Modelo de crescimento exponencial 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = rN Nt = N0e rt Pressupostos: (1) Ausência de I e E (população fechada) (2) Crescimento contínuo – indivíduos nascem e morrem continuamente (3) b e d são constantes (r constante) – para que uma população cresça com taxas de natalidade e mortalidade constantes, ela necessita de uma quantidade ilimitada de recursos! (4) Ausência de estrutura etária – não existem diferenças de b e d entre indivíduos em função da idade ou tamanho Modelo de crescimento exponencial 𝒅𝑵 𝒅𝒕 = rN Nt = N0e rt Modelo de crescimento exponencial Eliminação de (2): Modelo de crescimento geométrico Eliminação de (3): Modelo de crescimento logístico Eliminação de (4): Modelo de crescimento estruturado Pressupostos: (1) Ausência de I e E (população fechada) (2) Crescimento contínuo – indivíduos nascem e morrem continuamente (3) b e d são constantes (r constante) – para que uma população cresça com taxas de natalidade e mortalidade constantes, ela necessita de uma quantidade ilimitada de recursos! (4) Ausência de estrutura etária – não existem diferenças de b e d entre indivíduos em função da idade ou tamanho O crescimento contínuo é incomum em populações naturais, nas quais a reprodução está tipicamente restrita ao período do ano no qual os recursos são mais abundantes. O crescimento dessas populações que se reproduzem somente em certas épocas será geométrico. Nt+1 = Nt + rdNt Suponha que a população cresce cada ano por uma proporção constante rd – o fator de crescimento discreto: Nt+1 = Nt + rdNt Nt+1 = Nt (1 + rd) Suponha que a população cresce cada ano por uma proporção constante rd – o fator de crescimento discreto: Nt+1 = Nt + rdNt Nt+1 = Nt (1 + rd) Nt+1 = λNt Suponha que a população cresce cada ano por uma proporção constante rd – o fator de crescimento discreto: Tomemos então 1 + rd = λ, como a taxa finita de crescimento (ou taxa geométrica de crescimento populacional), logo: Modelo de crescimento geométrico Nt+1 = Nt + rdNt Nt+1 = Nt (1 + rd) Nt+1 = λNt Nt = λ tN0 Suponha que a população cresce cada ano por uma proporção constante rd – o fator de crescimento discreto: Tomemos então 1 + rd = λ, como a taxa finita de crescimento (ou taxa geométrica de crescimento populacional), logo: λ mede o aumento proporcional da população de um ano para o próximo, ou seja, é Nt+1 / Nt. Depois de 2 anos, o tamanho da população será: N2 = λN1 = λ(λN0) = λ 2N0 Modelo de crescimento geométrico Nt = λ tN0 Qual o aspecto do gráfico do crescimento populacional geométrico? Modelo de crescimento geométrico Nt = λ tN0 Qual o aspecto do gráfico do crescimento populacional geométrico? Depende do padrão temporal da ocorrência de mortes e nascimentos r = ln(λ) λ = er Nt = N0e rt Nt = λ tN0 λt = ert contínuo discreto r > 0 ↔ λ > 1 r = 0 ↔ λ = 1 Mas essas condições favoráveis não podem durar pra sempre Em populações naturais, λ > 1 ou r > 0 quando as condições são favoráveis ao crescimento, sobrevivência e reprodução. Fatores como temperatura, precipitação e eventos catastróficos (enchentes e furacões) alteram as taxas de natalidade e mortalidade, a despeito do no de indivíduos na população – fatores independentes de densidade. Esses fatores determinam o tamanho populacional (N), mas não o regulam. Fatores como temperatura, precipitação e eventos catastróficos (enchentes e furacões) alteram as taxas de natalidade e mortalidade, a despeito do no de indivíduos na população – fatores independentes de densidade. Esses fatores determinam o tamanho populacional (N), mas não o regulam. Fatores como a disponibilidade de recursos alteram as taxas de natalidade e mortalidade conforme a densidade da população – fatores dependentes da densidade. Esses fatores geram aumento populacional quando a densidade é baixa e diminuição da população quando a densidade é alta, ou seja esses fatores determinam e regulam o tamanho populacional (N) P. ex. a disponibilidade de alimento pode agir de forma dependente da densidade, isto é, quando a densidade da população é muito baixa, há alimento para todos os indivíduos e a tendência é alta natalidade/baixa mortalidade. Com o aumento da densidade, mesmo que a quantidade de alimento seja a mesma, o maior número de indivíduos levará à competição entre eles. O efeito agora será diferente, pois a tendência será baixa natalidade/alta mortalidade. Portanto, o mesmo fator, a quantidade de alimento, tem efeito diferente sobre uma população de consumidor quando em baixa ou alta densidade. Regulação do tamanho populacional Exemplos de dependência de densidade em populações naturais Pardal-cantor Melopiza melodia Ilha Mandarte, Canadá Bicho-da-farinha Tribolium confusum Efeito da densidade sobre a reprodução e sobre a mortalidade Como incorporar a regulação das populações nos modelos de crescimento sem limites? Modelo de crescimento logístico Como incorporar a regulação das populações nos modelos de crescimento sem limites? Modelo de crescimento logístico K é a capacidade suporte – no de indivíduos que o ambiente pode sustentar Essa equação modela o crescimento populacional dependente de densidade 𝑑𝑁 𝑑𝑡 = rN (1 − 𝑁 𝐾 ) Porção não utilizada da capacidade suporte Se N = K, dN/dt = 0 – a população não cresce Se N ≈ 0, crescimento exponencial Se N < K, (1 – (N/K)) > 0 e a população cresce Se N > K, (1 – (N/K)) < 0 e a população decresce 𝑑𝑁 𝑑𝑡 = rN (1 − 𝑁 𝐾 ) 𝑑𝑁 𝑑𝑡 = rN Taxa de crescimento populacional em função do tamanho da população Modelo de crescimento logístico Modelo de crescimento exponencial Taxa de crescimento per capta em função do tamanho da população Modelo de crescimento logístico Modelo de crescimento exponencial Crescimento populacional estruturado Tabela de vida: resumo de como sobrevivência e taxas reprodutivas variam com a idade (ou tamanho ou estágio do ciclo de vida) dos organismos Por exemplo... Idade em períodos de 3 meses x No de indivíduos vivos na idade x Nx Taxa de sobrevivência Sx Sobrevivência lx Fecundidade bx 0 843 0,856 1,000 0 1 722 0,730 0,856 300 2 527 0,600 0,625 620 3 316 0,456 0,375 430 4 144 0,375 0,171 210 5 54 0,278 0,064 60 6 15 0,200 0,018 30 7 3 0,000 0,004 10 8 0 0,000 Tabela de vida da gramínea Poa annua Idade em períodos de 3 meses x No de indivíduos vivos na idade x Nx Taxa de sobrevivência Sx Sobrevivência lx Fecundidade bx 0 843 0,856 1,000 0 1 722 0,730 0,856 300 2 527 0,600 0,625 620 3 316 0,456 0,375 430 4 144 0,375 0,171 210 5 54 0,278 0,064 60 6 15 0,200 0,018 30 7 3 0,000 0,004 10 8 0 0,000 Tabela de vida da gramínea Poa annua 843 plântulas que germinaram naturalmente foram marcadas e tiveram seu desenvolvimento acompanhado ao longo do tempo Idade em períodos de 3 meses x No de indivíduos vivos na idade x Nx Taxa de sobrevivência Sx Sobrevivência lx Fecundidade bx 0 843 0,856 1,000 0 1 722 0,730 0,856 300 2 527 0,600 0,625 620 3 316 0,456 0,375 430 4 144 0,375 0,171 210 5 54 0,278 0,064 60 6 15 0,200 0,018 30 7 3 0,000 0,004 10 8 0 0,000 Tabela de vida da gramínea Poa annua As colunas seguintes são calculadas a partir dos dados de Nx Idade em períodos de 3 mesesx No de indivíduos vivos na idade x Nx Taxa de sobrevivência Sx Sobrevivência lx Fecundidade bx 0 843 0,856 1,000 0 1 722 0,730 0,856 300 2 527 0,600 0,625 620 3 316 0,456 0,375 430 4 144 0,375 0,171 210 5 54 0,278 0,064 60 6 15 0,200 0,018 30 7 3 0,000 0,004 10 8 0 0,000 Tabela de vida da gramínea Poa annua É a taxa de sobrevivência em uma idade específica – chance de indivíduos da idade x sobreviverem até uma idade x+1: Sx = Nx+1/Nx Idade em períodos de 3 meses x No de indivíduos vivos na idade x Nx Taxa de sobrevivência Sx Sobrevivência lx Fecundidade bx 0 843 0,856 1,000 0 1 722 0,730 0,856 300 2 527 0,600 0,625 620 3 316 0,456 0,375 430 4 144 0,375 0,171 210 5 54 0,278 0,064 60 6 15 0,200 0,018 30 7 3 0,000 0,004 10 8 0 0,000 Tabela de vida da gramínea Poa annua A sobrevivência representa a proporção de indivíduos que sobrevivem desde o nascimento até a idade x : lx = Nx/N0 Idade em períodos de 3 meses x No de indivíduos vivos na idade x Nx Taxa de sobrevivência Sx Sobrevivência lx Fecundidade bx 0 843 0,856 1,000 0 1 722 0,730 0,856 300 2 527 0,600 0,625 620 3 316 0,456 0,375 430 4 144 0,375 0,171 210 5 54 0,278 0,064 60 6 15 0,200 0,018 30 7 3 0,000 0,004 10 8 0 0,000 Tabela de vida da gramínea Poa annua No médio de descendentes produzidos por uma fêmea enquanto ela está na idade x Idade em períodos de 3 meses x No de indivíduos vivos na idade x Nx Taxa de sobrevivência Sx Sobrevivência lx Fecundidade bx 0 843 0,856 1,000 0 1 722 0,730 0,856 300 2 527 0,600 0,625 620 3 316 0,456 0,375 430 4 144 0,375 0,171 210 5 54 0,278 0,064 60 6 15 0,200 0,018 30 7 3 0,000 0,004 10 8 0 0,000 Tabela de vida da gramínea Poa annua Exemplo de uma tabela de vida de coorte – o desenvolvimento de um grupo de indivíduos nascidos durante o mesmo período é acompanhado Coorte (ou dinâmica) Estática Tempo Id ad e Nascimento Coorte (ou dinâmica) Estática Tempo Id ad e Nascimento Idade (em anos) X Sobrevivência lx Fecundidade bx 0-4 0,993 0,0 5-9 0,992 0,0 10-14 0,992 0,0002 15-19 0,990 0,113 20-24 0,988 0,265 25-29 0,985 0,283 30-34 0,982 0,230 35-39 0,977 0,102 40-44 0,970 0,020 45-49 0,959 0,001 50-54 0,944 0,0 55-59 0,921 0,0 60-64 0,885 0,0 Sobrevivência e fecundidade por idade para pessoas do sexo feminino dos EUA em 2001 (...) Três tipos de curva de sobrevivência C ar n ei ro s- d e- d al l O vi s d a lli To rd o -m u si ca l Tu rd u s er ic et o ru m A rb u st o d o d es er to C le o m e d ro se ri fo lia Três tipos de curva de sobrevivência C ar n ei ro s- d e- d al l O vi s d a lli To rd o -m u si ca l Tu rd u s er ic et o ru m A rb u st o d o d es er to C le o m e d ro se ri fo lia Três tipos de curva de sobrevivência C ar n ei ro s- d e- d al l O vi s d a lli To rd o -m u si ca l Tu rd u s er ic et o ru m A rb u st o d o d es er to C le o m e d ro se ri fo lia Três tipos de curva de sobrevivência Dados das tabelas de vida podem ser usados para projetar o futuro da estrutura etária, do tamanho e da taxa de crescimento da população Dados das tabelas de vida podem ser usados para projetar o futuro da estrutura etária, do tamanho e da taxa de crescimento da população Idade x No de indivíduos vivos na idade x Nx 0 20 1 30 2 50 3 0 Dados das tabelas de vida podem ser usados para projetar o futuro da estrutura etária, do tamanho e da taxa de crescimento da população Idade x No de indivíduos vivos na idade x Nx 0 20 1 30 2 50 3 0 Estrutura etária: 0,2 na classe de idade 0 0,3 na classe de idade 1 0,5 na classe de idade 2 A estrutura etária é uma característica essencial de uma população , pois atesta se a população está crescendo ou diminuindo de tamanho Populações humanas em crescimento rápido tipicamente tem maior porcentagem de pessoas em classes de idade mais jovem do que populações de crescimento lento ou em declínio Em geral, a estrutura etária atesta o quão rápido qualquer população cresce Taxas de sobrevivência e fecundidade de uma população hipotética que se reproduz na primavera e morre depois de alcançar o terceiro ano de vida Como será a estrutura etária dessa população e como o tamanho populacional pode mudar ao longo do tempo? Idade x No de indivíduos vivos na idade x Nx Taxa de sobrevivência Sx Fecundidade bx 0 20 0,3 0 1 30 0,8 2 2 50 0,0 4 3 0 - - Tamanho populacional 100 Taxas de sobrevivência e fecundidade de uma população hipotética que se reproduz na primavera e morre depois de alcançar o terceiro ano de vida Como será a estrutura etária dessa população e como o tamanho populacional pode mudar ao longo do tempo? Idade x No de indivíduos vivos na idade x Nx Taxa de sobrevivência Sx Fecundidade bx 0 20 0,3 0 1 30 0,8 2 2 50 0,0 4 3 0 - - Tamanho populacional 100 No de sobreviventes até o próximo ano No de recém-nascidos que esses sobreviventes produzirão no próximo ano Idade x No de indivíduos vivos na idade x Nx Taxa de sobrevivência Sx Fecundidade bx Sobreviventes no próximo ano No de indivíduos na idade x no próximo ano 0 20 0,3 0 (6X2) + (24X4) = 108 1 30 0,8 2 20 X 0,3 = 6 6 2 50 0,0 4 30 X 0,8 = 24 24 3 0 - - 50 X 0,0 = 0 0 Tamanho populacional 100 138 Taxas de sobrevivência e fecundidade de uma população hipotética que se reproduz na primavera e morre depois de alcançar o terceiro ano de vida λ = Nt+1 / Nt Dados das tabelas de vida podem ser usados para projetar o futuro da estrutura etária, do tamanho e da taxa de crescimento da população Idade x No de indivíduos vivos na idade x Nx Sobrevivência lx Fecundidade bx lxbx xlxbx 0 20 1,00 0 0,00 0,00 1 30 0,30 2 0,60 0,60 2 50 0,24 4 0,96 1,92 3 0 0,00 - - - R0 = ∑ lxbx = 1,56 T = ∑ xlxbx / ∑ lxbx T = 2,52 / 1,56 = 1,61 r = LN(R0) / T r = 0,28 λ = er = 1,32 R0 (taxa reprodutiva líquida) é o n o de filhotes fêmeas produzidos por uma fêmea ao longo da sua vida T (tempo de geração) é o período médio entre o nascimento de um indivíduo e o nascimento de seu filhote Dúvidas? 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