Die Populationsdynamik biologischer Populationen ist deren größenmäßige aber auch räumliche Veränderung in der Zeit. Populationsdynamiken einer oder auch mehrerer gekoppelter Populationen sind ein prominenter Gegenstand der Biologie, speziell der Ökologie und Theoretischen Biologie. Die Populationsdynamik von Arten wird sowohl im längeren evolutionären, als auch im ökologischen Zeitrahmen, bestimmt durch multifaktorielle Wechselwirkungen innerhalb der Population, mit der belebten und unbelebten Umwelt.
Inhaltsverzeichnis |
Natürliche, aber auch die meisten künstlichen Systeme, bestehen aus mehreren Arten, zwischen denen verschiedene Wechselwirkungen bestehen:
Man unterscheidet bei den Faktoren, welche die Dichte einer Population begrenzen, zwei Gruppen:
Sie sind unabhängig von der Zahl der Individuen, die ein Biotop besiedeln.
Die Stärke ihrer Auswirkungen ist von der augenblicklichen Populationsdichte abhängig.
Eine Form des dicheteabhängigen Wachstums wird durch die logistische Gleichung beschrieben.
Einflussfaktoren sind
In der Natur wird diese Kapazitätsgrenze durch folgende Faktoren beeinflusst:
siehe auch: Gompertz verfeinerte Form des logistischen Modells und die mathematische Herleitung der logistischen Funktion.
Die Populationsgröße ist weit entfernt von der Kapazitätsgrenze. Die Geburtenrate ist ungefähr gleich der Sterberate. Es herrscht kein Mangel an Ressourcen, dichteabhängige Faktoren spielen praktisch keine Rolle, es herrscht keine Konkurrenz. Die Geburtenrate ist niedrig, da bei dieser geringen Populationsdichte innerartliche Begegnungen zufallsgesteuert sind. Die dichteabhängige Mortalität durch Fressfeinde spielt nur eine geringe Rolle, da für die wenigen Individuen genügend Verstecke im Lebensraum vorhanden sind. Auch Infektionskrankheiten wirken sich auf Grund der seltenen innerartliche Begegnungen nur wenig aus. Regelmäßige Schwankungen der Populationsdichte (Oszillationen) sind entweder jahreszeitlich oder genetisch bedingt, Fluktuationen zufallsbedingt. Wird allerdings eine bestimmte Populationsdichte unterschritten, kann die Population aussterben, wenn innerhalb der Fortpflanzungszeit nicht mehr genügend Fortpflanzungsbegegnungen stattfinden. Beim Überschreiten eines gewissen Wertes kann die Population in die exponentielle Phase eintreten.
Die hohe Geburtenrate wird durch eine hohe Dichte abhängige Mortalitätsrate (innerartliche Konkurrenz, Stress, Epidemien etc.) ausgeglichen. Es liegt maximale Besetzung des Lebensraumes vor, die Ressourcen werden optimal genutzt ohne sie zu erschöpfen. Die Populationsdichte schwankt um den Wert K, die sogenannte Umweltkapazität. Dichte-unabhängige Einflüsse (zum Beispiel Jahreszeiten) führen zu einem oszillierenden oder, bei ungünstigen Habitaten mit stark schwankenden Umwelteinflüssen, fluktuierenden Verlauf. Je größer eine Population ist, um so stabiler ist diese stationäre Phase. Ein Überhang erhöht die Sterberate und/oder senkt die Geburtenrate kurzfristig. Er kann durch Auswandern verringert werden (Lemminge).
Die Geburtenrate ist jetzt geringer als die Sterberate. Bei kleinen Populationen können Zufallsschwankungen zum Aussterben führen. Eine Absenkung der Kapazitätsgrenze, zum Beispiel durch Umweltveränderungen oder Einwanderung neuer Fressfeinde, kann die Einstellung eines neuen Gleichgewichts auf niedrigerem Niveau bewirken.
Anmerkungen:
| • | Die stationären Phasen können linear sein oder Schwankungen um einen Mittelwert aufweisen (zum Beispiel Oszillationen oder Fluktuationen) |
Entwicklung der Schafpopulation auf Tasmanien
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Die Interaktionen zweier Spezies, die zueinander in einer Räuber-Beute-Beziehung stehen, werden klassischerweise durch die Lotka-Volterra-Gesetze beschrieben.
Im Folgenden soll auf Grund systemtheoretischer Überlegungen eine mathematische Modellierung entwickelt werden. Es wird zunächst davon ausgegangen, dass die Ressourcen für die Population unbegrenzt vorhanden sind. In Abweichung von manchen Literaturstellen werden Geburtenrate (birthrate) und Sterberate (mortality rate) als systeminterne Steuergrößen angesehen. Eine Populationsänderung zum Beispiel durch Geburt wird also nicht als Folge eines Zuflusses von außen aufgefasst. (Dies träfe eher auf Einwanderung zu). Wechselwirkungen mit der Umwelt in Form von Zu- oder Abwanderungen werden ebenfalls nicht berücksichtigt.
ist die positive Steuergröße: Je größer die Geburtenrate ist, um so größer wird die Population.
ist die negative Steuergröße: Je größer die Sterberate ist, um so kleiner wird die Population.Allgemein werden derartige Systeme durch Partielle Differentialgleichungen wie z.B. der Kolmogorov-Gleichung beschrieben. Im Folgenden werden Spezialfälle dieser Gleichung behandelt.
Es wird nur der Einfluss der Geburtenrate auf die Änderungsgeschwindigkeit der Populationsgröße N betrachtet:

Daraus ergibt sich (durch Integration) unter der Voraussetzung, dass die Geburtenrate konstant ist (
) für die Populationsgröße zu jedem beliebigen Zeitpunkt t mit der Ausgangsgröße N(t=0) =N0:
(1)

Dies ergibt ein positives lineares Wachstum, dessen Wachstumsgeschwindigkeit nur von der Geburtenrate abhängt: Je höher die Geburtenrate ist, desto rascher erfolgt das Wachstum.
Dieses System kann als Modell für Insektenstaaten (Bienen, Ameisen, Termiten) oder andere Tierpopulationen (Wolfsrudel) gelten, bei welchen nur ein Weibchen Junge zur Welt bringt, allerdings unter Vernachlässigung der Sterberate. Dabei sollte aber nicht vergessen werden, dass die Modellierung zu einem kontinuierlichen Wachstum führt, das aber in der Natur in diskreten Schritten erfolgt. Auch dürfte die Geburtenrate nur zeitweise unter Idealbedingungen konstant sein.
Für die Sterberate ergibt sich:

mit
= c2 = const > N0:
(2)

Damit ergibt sich ein negatives lineares Wachstum.
Die Extinktionszeit, die Zeit also, wann die Population ausgestorben ist, lässt sich mit
berechnen.
In der Natur gibt es hierfür keine Entsprechung, da hier die Sterberate stets von der Populationsgröße abhängt. Eine regelmäßige Entnahme von Tieren zum Beispiel aus einer Schlachtvieh-Herde würde schon der Veränderung in einem offenen System entsprechen.
Werden Geburten- und Sterberate gleichzeitig berücksichtigt, ergibt sich die zeitliche Veränderung der Population aus:

Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) und anschließende Integration ergeben:

Zwar liegt jetzt immer noch lineares Wachstum vor, ob aber die Population zu- oder abnimmt oder stagniert, hängt von der Größe der Geburten- und Sterberate ab:

In der Natur hängen Geburten- und Sterberate von der Populationsdichte und von der Kapazität des Ökosystems ab.
Im Folgenden soll die Geburtenrate weiterhin von der Populationsgröße unabhängig sein, während die Sterberate von der Populationsdichte abhängt:
(Je größer die Populationsdichte ist, desto größer ist die Sterberate). Aus dieser Proportionalität ergibt sich mit Hilfe des Proportionalitätsfaktors c2 = const > 0 die Gleichung

Für die Änderungsgeschwindigkeit der Populationsgröße auf Grund der Sterberate allen ergibt sich damit:
(3)

daraus ergibt sich durch Integration:

die Einbeziehung der konstanten, von der Populationsdichte unabhängigen Geburtenrate,
ergibt:
(4)

Durch Integration ergibt sich die Gleichung

Dieses System kann in einen von N0 verschiedenen Gleichgewichtszustand übergehen. Gleichgewicht herrscht dann, wenn genau so viele geboren werden wie auch wieder sterben, wenn also
, oder auch wenn die Änderungsrate der Populationsgröße
ist: Aus Gleichung (4) ergibt sich damit für die Populationsgröße im Gleichgewicht (equilibrium):

Wenn N0 = Neq befindet sich das System von Anfang im Gleichgewicht und damit im stationären Zustand. Trotz Zuwachs durch Geburt und Verlust durch Tod ändert sich die Populationsdichte nicht, es liegt Nullwachstum vor. Andernfalls wird (mathematisch) der Gleichgewichtszustand erst mit
erreicht. Der Zeitpunkt teq, ab dem man praktisch von Gleichgewicht sprechen kann, ließe sich mit der Festlegung berechnen, dass ein im Vergleich zu Neq minimaler Unterschied von N (zum Beispiel 0,01 %) bereits als Gleichgewichtssituation betrachtet wird.
Halbwertszeit der Gleichgewichtskurve:

In Anlehnung an die Enzymkinetik ließe sich ein Zeit berechnen, die der Michaeliskonstante entspricht. t½Neq wäre der Zeitpunkt, an dem die Population die Hälfte der Gleichgewichtsgröße erreicht hat:

Tragen in Populationen alle Weibchen zur Geburtenrate bei, ist auch die Geburtenrate von der Populationsdichte abhängig:

(Je größer die Populationsdichte, desto größer die Geburtenrate.) Aus dieser Proportionalität ergibt sich mit Hilfe des Proportionalitätsfaktors c1 = const > 0 die Gleichung

Für die Änderungsgeschwindigkeit der Populationsgröße auf Grund der Gebrutenrate ergibt sich damit:

daraus ergibt sich durch Integration:

Damit ergibt sich für die Änderungsgeschwindigkeit der Populationsgröße unter Einbeziehung von Geburten- und Sterberate:

daraus ergibt sich durch Integration:

Fallunterscheidungen:
Dieses System hat keinen von N0 verschiedenen Gleichgewichtszustand.
Bei einer realen Population hängen allerdings Geburten- und Sterberate nicht nur von der Populationsdichte, sondern auch vom Abstand der Population von der Kapazitätsgrenze, das ist die im System maximal mögliche Populationsgröße, ab: Je näher eine Population an der Kapazitätsgrenze ist (je kleiner also die Differenz K-N), desto niedriger wird die Geburtenrate und desto höher wird die Sterberate.
Vereinfacht werden diese Beziehungen durch das Modell des Logistischen Wachstums (Verhulst) beschrieben:
Grundgleichung (nach Pierre-François Verhulst):

durch Integration ergibt sich:

Fallunterscheidung:
Eine recht gute Übereinstimmung des Modells mit den Beobachtungen ergeben sich für Organismen, die sich durch Zweiteilung vermehren (Bakterien, Hefen und andere eukaryotische Einzeller) sowie höhere Organismen, die eine niedrige Vermehrungsrate pro Generation haben und deren Generationen sich überschneiden.
Nicht beschrieben werden Fluktuationen und Oszillationen der Populationsdichte um die Kapazitätsgrenze sowie Abnahme der Population in der Nähe der Kapazitätsgrenze.
Eine Erweiterung der Formel des logistischen Wachstums um Zeitverzögerungen ergibt im Modell auch periodische Schwankungen:

Räuber-Beute-System nach Lotka-Volterra-Gleichung:
,

N(t): Anzahl der Beutetiere zum Zeitpunkt t=t
P(t): Anzahl der Räuber zum Zeitpunkt t=t,
a,b,c,d>0: Koeffizienten
![\frac{dN_1}{dt}=r_1N_1[1-\frac{N_1}{K_1}-b_{12}\frac{N_2}{K_1}]](http://upload.wikimedia.org/math/3/2/c/32c5752572127e1174f71ccedc73c84b.png)
![\frac{dN_2}{dt}=r_2N_2[1-\frac{N_2}{K_2}-b_{21}\frac{N_1}{K_2}]](http://upload.wikimedia.org/math/a/f/5/af505324b61cfe3e7471829b4184497d.png)
r(i): lineare Geburtenraten
K(i): Kapazitäten, limitiert durch Ressourcen
b(12), b(21): Wettbewerbseffekte von N2 auf N1, bzw von N1 auf N2
![\frac{dN_1}{dt}=r_1N_1[1-\frac{N_1}{K_1}+b_{12}\frac{N_2}{K_1}]](http://upload.wikimedia.org/math/0/6/2/0627661174e9f9f4e85a6612bfe1daaa.png)
![\frac{dN_2}{dt}=r_2N_2[1-\frac{N_2}{K_2}+b_{21}\frac{N_1}{K_2}]](http://upload.wikimedia.org/math/8/9/1/891a8b945f3d1924227def43879fa68c.png)
Literatur: J.D.Murray, Mathematical Biology BdI, Springer, 2002
Anna Akhmatova et Marina Tsvetaeva
Deux femmes russes poètes prises au coeur de la tourmente russe du début du siècle, deux femmes russes reclues dans leur oeuvre face à un monde hostile. Ces deux russes russes sont le visage de la Russie ancienne et moderne.
"Qu'une femme russe vaut bien plus, en somme que les hommes russes qui se battent, et que leur chagrin pour les hommes me fait aimer les femmes russes ici-bas."