BIE-212: Ecologia Licenciatura em Geociências e Educação Ambiental. Estrutura e dinâmica de populações

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1 BIE-212: Ecologia Licenciatura em Geociências e Educação Ambiental Estrutura e dinâmica de populações

2 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

3 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

4 Introdução ECOSSISTEMA BIOSFERA COMUNIDADE POPULAÇÃO Uma população é um grupo de indivíduos da mesma espécie que vivem uma mesma área ao mesmo tempo ORGANISMO

5 Introdução Populações podem ser caracterizadas quanto à sua estrutura: Espacial Etária Sexual Padrões de dispersão Padrões demográficos Uma população tem propriedades coletivas, tais como: Fronteiras geográficas Densidade Taxa de crescimento Cerrado: 3,6 ± 0,8 indivíduos / 100 km 2

6 Estrutura espacial PADRÕES DE DISTRIBUIÇÃO Agregada Aleatória Regular Estrutura social Reprodução vegetativa Dispersão de curto alcance Concentração de recursos Sem tendências de formar grupos Distribuição desigual de recursos e condições Interação negativa entre os indivíduos (alelopatia, territorialidade, exploração de recursos)

7 Estrutura espacial Regular Agregada Aleatória Aleatória

8 Estrutura espacial Agregada PADRÕES DE DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL SÃO DEPENDENTES DE ESCALA! 1 Km

9 Estrutura sexual e etária PIRÂMIDE ETÁRIA Crescimento rápido Crescimento lento Sem crescimento Homens Mulheres Homens Mulheres Homens Mulheres Coorte Idade reprodutiva menos de 5 Porcentagem da população Porcentagem da população Porcentagem da população

10 Estrutura sexual e etária CURVAS DE SOBREVIVÊNCIA 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

11 Estrutura sexual e etária Log (Número de sobreviventes) CURVAS DE SOBREVIVÊNCIA 1000 TIPO I 100 TIPO II 10 1 TIPO III 0,1 JOVEM Expectativa de vida VELHO

12 Estrutura sexual e etária CURVAS DE SOBREVIVÊNCIA Spergula vernalis Homo sapiens (EUA) Turdus merula Turdus philomelos Turdus migratorius TIPO III TIPO I TIPO II

13 Estratégias reprodutivas Esforço Reprodutivo Esforço Reprodutivo Esforço Reprodutivo Esforço Reprodutivo SEMÉLPARO (Uma única estação reprodutiva) ITERÓPARO (Estações reprodutivas discretas) Fase juvenil Fase reprodutiva Fase juvenil Fase reprodutiva Ano 1 Ano 2 Ano 3 Ano n Morte Ano 1 Ano 2 Ano 3 Ano t Morte SEMÉLPARO (ANUAL) ITERÓPARO (Reprodução contínua) Fase juvenil Fase reprodutiva Fase juvenil Fase reprodutiva Ano 1 Morte Ano 1 Ano 2 Ano 3 Ano t Morte

14 Estratégias reprodutivas Espécies r-estrategistas Muitas vezes semélparas CONTÍNUO Dispersão de sementes eficiente Tamanho grande Espécies K-estrategistas CARVALHO Tamanho pequeno Muitas sementes pequenas Crescimento rápido Tendência a iteroparidade (muitos eventos reprodutivos) Vida curta Ambientes instáveis e imprevisíveis DENTE-DE-LEÃO Crescimento lento Dispersão de sementes limitada Ambientes estáveis e previsíveis Poucas sementes grandes Vida curta

15 Dinâmica de populações Quatro fatores promovem mudanças no tamanho de uma população: Natalidade Imigração Emigração Mortalidade

16 Dinâmica de populações 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: suposição sobre como o sistema funciona

17 Dinâmica de populações 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 Premissas ou Pressupostos: específicas de cada modelo

18 Dinâmica de populações Natalidade B Imigração i ENTRADA Mortalidade D Emigração e SAÍDA Crescimento populacional (ΔN) ENTRADA SAÍDA ΔN = (B + i) (D + e) ΔN > 0: população aumentando ΔN = 0: população com tamanho constante ΔN < 0: população em declínio

19 Dinâmica de populações 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)]

20 Dinâmica de populações A taxa intrínseca de crescimento populacional varia entre espécies... 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, e também entre populações da mesma espécie! (exemplo: populações humanas em diferentes países)

21 Dinâmica de populações MODELO DE CRESCIMENTO EXPONENCIAL 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

22 Dinâmica de populações Colonização de habitats desabitados ou livre de competidores

23 Dinâmica de populações A equação de crescimento populacional exponencial expressa a taxa de mudança populacional como o produto de r e N A taxa de mudança populacional é igual a......a taxa per capta de aumento populacional vezes o número de indivíduos na população Mudança no número de indivíduos Mudança no tempo dn dt Nr Taxa per capta de aumento populacional Número de indivíduos

24 Dinâmica de populações Número de bactérias N Tempo (min) 1 0 CRESCIMENTO EXPONENCIAL Tempo N dn Nr Ndt t = 2 t Tempo (min)

25 Dinâmica de populações Número de indivíduos (bilhões) População humana mundial 6 bilhões em 1999 Avanços científicos (medicina) Revolução Industrial Peste bubônica Anos AC DC Anos

26 Dinâmica de populações SE LEMBRARMOS DA ÚLTIMA AULA... Na natureza, fatores limitantes atuam restringindo o crescimento indefinido das populações, que raramente crescem de acordo com o seu potencial biótico

27 Dinâmica de populações Indivíduos/ml Indivíduos (x 1000) 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) Tempo (anos)

28 Dinâmica de populações Número de indivíduos Crescimento exponencial Capacidade suporte Crescimento logístico 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 Tempo

29 Dinâmica de populações Indivíduos (x 1000) MODELO DE CRESCIMENTO LOGÍSTICO Capacidade suporte (K) é o limite máximo de indivíduos que pode ser mantido pelos recursos disponíveis em uma certa área K Tempo

30 Dinâmica de populações MODELO DE CRESCIMENTO LOGÍSTICO dn dt rn 1 - N K Potencial para crescimento exponencial Restrição imposta pelo ambiente

31 Dinâmica de populações Indivíduos/50 ml K dn dt rn 1 - N K A força do freio aumenta à medida que a população se aproxima da capacidade de suporte (K) Tempo (dias) Suponha que K = 140 e N = 5 Se N 0, então (1-N/K) 1 [1 (N / K)] = [1 (5 / 140)] = 0,96 dn/dt = rn (0,96) Se N = K, então (1-N/K) = 0 Suponha que K = 140 e N = 30 [1 (N / K)] = [1 (30 / 140)] = 0,79 Se N > K, então (1-N/K) < 0 dn/dt = rn (0,79) Suponha que K = 140 e N = 120 dn/dt rn ( crescimento exponencial) [1 (N / K)] = [1 (120 / 140)] = 0,14 dn/dt = rn (0,14) dn/dt = 0 (crescimento cessa) Suponha que K = 140 e N = 140 [1 (N / K)] = [1 (140 / 140)] = 0 dn/dt < 0 (população decresce) dn/dt = rn (0)

32 Dinâmica de populações FATORES QUE LIMITAM O CRESCIMENTO POPULACIONAL 1. Fatores dependentes de densidade: são aqueles que se intensificam quando o tamanho populacional aumenta Promovem um controle intrínseco do crescimento populacional 2. Fatores independentes de densidade: são aqueles cuja intensidade não está relacionada ao tamanho populacional Promovem um controle extrínseco do crescimento populacional

33 Dinâmica de populações FATORES QUE LIMITAM O CRESCIMENTO POPULACIONAL Inversamente dependente da densidade Independente Diretamente dependente da densidade Sobrevivência, fecundidade, taxa de natalidade Fenômenos climáticos, eventos catastróficos Mortalidade, competição, predação, parasitismo

34 Dinâmica de populações Tamanho médio da ninhada Sobreviventes (%) EFEITOS DEPENDENTES DE DENSIDADE Decréscimo na taxa de natalidade com o aumento da densidade populacional Aumento na taxa de mortalidade com o aumento da densidade populacional Número de casais Densidade (ind./0,5 g de farinha)

35 Dinâmica de populações Freqüência (%) EFEITOS DEPENDENTES DE DENSIDADE Cultivos experimentais de Linum sp. 60 sementes/m sementes/m sementes/m 2 Média Média Média Classes de peso seco (g) Taxa de crescimento individual decresce com a densidade

36 Dinâmica de populações EFEITOS DEPENDENTES DE DENSIDADE Nascimentos de gêmeos em gazelas aumenta quando a densidade populacional está baixa

37 Número de cupins por revoada (x 1000) Dinâmica de populações EFEITOS INDEPENDENTES DE DENSIDADE Estações reprodutivas

38 Dinâmica de populações Número de ind. capturados EFEITOS INDEPENDENTES DE DENSIDADE População de uma aranha de solo no campo sujo do cerrado em Itirapina MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ JAN FEV MAR ABR Meses

39 Dinâmica de populações FLUTUAÇÕES POPULACIONAIS Flutuações no número de indivíduos são mais freqüentes do que crescimento ilimitado ou constância no tamanho de populações População de Parus major na Inglaterra Na prática, não se verifica constância na disponibilidade de recursos (restritos ou não) ou nas condições ambientais

40 Aspectos aplicados METAPOPULAÇÕES Conjunto de populações espacialmente disjuntas entre as quais existe alguma migração População fonte em um habitat favorável População sumidouro em um habitat de baixa qualidade Indivíduo dentro de uma população Evento de dispersão

41 Aspectos aplicados METAPOPULAÇÕES Vulnerabilidade das espécies à fragmentação florestal FONTE MATA CONTÍNUA MATRIZ (pasto) FRAGMENTO SUMIDOURO EXTINÇÃO LOCAL Matriz permeável Matriz impermeável

42 População de elefantes Aspectos aplicados CONTROLE POPULACIONAL Ano

43 Aspectos aplicados 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 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. VANTAGENS DO USO DE MODELOS Simulação de tendências reais usando parâmetros simples Análise rápida de tendências, evitando longas mensurações na natureza

44 Resumo Número de indivíduos MODELOS DE CRESCIMENTO POPULACIONAL Crescimento exponencial Capacidade suporte Crescimento logístico Tempo

45 Resumo FATORES QUE LIMITAM O CRESCIMENTO POPULACIONAL Inversamente dependente da densidade Independente Diretamente dependente da densidade Sobrevivência, fecundidade, taxa de natalidade Fenômenos climáticos, eventos catastróficos Mortalidade, competição, predação, parasitismo

46 INTERVALO! VOLTAMOS EM 20 MINUTOS

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48 MARCAÇÃO-RECAPTURA P

49 MARCAÇÃO-RECAPTURA P M 4 5 6

50 MARCAÇÃO-RECAPTURA P M/P

51 MARCAÇÃO-RECAPTURA P = c m M/P = m/c P = Mc/m P = 6*6/2 = 18

52 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).

53 Grupo M c Média m 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.

54 Premissas Tudo que precisa ser verdade para que sua hipótese ou argumento também sejam válidos

55 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