Задания № 21, 22 · ЕГЭ

Модели роста популяции

Экспоненциальная и логистическая модели численности популяции
6 мин чтенияСложность: Обновлено 29 сентября 2026

Модели роста популяции описывают, как изменяется её численность во времени. Экспоненциальная модель показывает рост при практически неограниченных ресурсах, а логистическая учитывает ёмкость среды и действие сопротивления среды.

Основные величины и условия роста

Популяция — совокупность особей одного вида, длительно обитающих на общей территории и свободно скрещивающихся между собой. В моделях обычно рассматривают численность \(N\) — число особей, а также время \(t\). Изменение численности определяется рождаемостью, смертностью, иммиграцией и эмиграцией.

Если приток особей извне и отток из популяции не учитываются, численность меняется главным образом из-за разности рождаемости и смертности. Этот показатель называют темпом роста популяции. При положительном темпе численность увеличивается, при отрицательном — сокращается.

\[\Delta N = B - D + I - E\]

Здесь \(B\) — число родившихся особей, \(D\) — число погибших, \(I\) — число иммигрировавших, \(E\) — число эмигрировавших за выбранный промежуток времени.

D
Сопротивление среды

Сопротивление среды — совокупность факторов, ограничивающих рост численности популяции: недостаток пищи и воды, нехватка убежищ и мест размножения, хищничество, паразитизм, болезни, конкуренция, неблагоприятные абиотические условия и деятельность человека.

D
Ёмкость среды

Ёмкость среды, или \(K\), — наибольшая численность популяции, которую среда может длительно поддерживать при данных условиях. Это не постоянное свойство территории: \(K\) изменяется при изменении ресурсов, климата, площади местообитания и воздействия человека.

Экспоненциальный рост

Экспоненциальная модель применима, когда ресурсы практически не ограничены, а сопротивление среды очень мало. Такое бывает на начальных этапах заселения нового местообитания, при восстановлении численности после резкого сокращения или в лабораторной культуре при избытке питательных веществ.

\[\frac{dN}{dt}=rN\]

В формуле \(r\) — внутренний, или потенциальный, темп роста популяции. Чем больше численность \(N\), тем больше особей участвует в размножении и тем больше абсолютный прирост за единицу времени.

\[N(t)=N_0e^{rt}\]

\(N_0\) — начальная численность, \(e\) — основание натуральных логарифмов, \(t\) — время. Если \(r>0\), график имеет вид быстро поднимающейся кривой, похожей на букву J. Если \(r=0\), численность не изменяется, а при \(r<0\) экспоненциальная модель описывает сокращение популяции.

12345678246810121416t, времяN, численность0Экспоненциальный рост
При постоянном положительном темпе роста абсолютный прирост увеличивается со временем.
T
Правило экспоненциальной модели

При неограниченных ресурсах и постоянном положительном \(r\) численность растёт пропорционально самой себе: одинаковые относительные приросты за равные промежутки времени дают всё большие абсолютные прибавки.

Логистический рост и ёмкость среды

В природе ресурсы ограничены, поэтому бесконечный экспоненциальный рост невозможен. По мере увеличения численности усиливается плотностно-зависимая регуляция численности: возрастает конкуренция, быстрее распространяются болезни, чаще встречаются хищники. Рост замедляется и численность приближается к \(K\).

\[\frac{dN}{dt}=rN\left(1-\frac{N}{K}\right)\]

Множитель \(\left(1-\frac{N}{K}\right)\) показывает действие сопротивления среды. При \(N\ll K\) он близок к 1, поэтому рост почти экспоненциальный. При \(N=K\) множитель равен 0: прирост прекращается. При \(N>K\) он отрицателен, и численность уменьшается.

\[N(t)=\frac{K}{1+\left(\frac{K-N_0}{N_0}\right)e^{-rt}}\]

График логистического роста имеет S-образную форму. Сначала численность увеличивается медленно, затем быстро, а около ёмкости среды рост замедляется. В идеализированной модели численность постепенно приближается к \(K\).

24681012102030405060708090100t, времяN, численность0Логистический рост
S-образная кривая: начальная задержка, быстрый рост и стабилизация около ёмкости среды \(K\).
T
Ключевые положения логистической модели

Скорость роста максимальна при \(N=K/2\). При \(N=K\) скорость роста равна нулю. Если \(N\) близка к \(K\), дальнейшее увеличение численности ограничивается сопротивлением среды.

Микропроверка

Что произойдёт с логистической скоростью роста, если численность популяции достигнет \(K\)?

Разбор расчётной задачи

Рассмотрим популяцию с ёмкостью среды \(K=1000\) особей, начальной численностью \(N=500\) и внутренним темпом роста \(r=0{,}2\) за год. Найдём логистическую скорость изменения численности в начальный момент.

№
Пример

Нужно определить \(dN/dt\) по логистической формуле. Все величины уже заданы в согласованных единицах: численность — в особях, время — в годах.

1
Записываем логистическую формулу.
\(\displaystyle \frac{dN}{dt}=rN\left(1-\frac{N}{K}\right)\)
2
Подставляем исходные данные.
\(\displaystyle \frac{dN}{dt}=0{,}2\cdot500\left(1-\frac{500}{1000}\right)\)
3
Вычисляем долю неиспользованной ёмкости среды.
\(\displaystyle 1-\frac{500}{1000}=0{,}5\)
4
Получаем скорость роста.
\(\displaystyle \frac{dN}{dt}=0{,}2\cdot500\cdot0{,}5=50\ \text{особей/год}\)

Ответ: в начальный момент численность увеличивается примерно на 50 особей в год. Заметим, что \(N=K/2\), поэтому скорость роста максимальна для данной модели.

Сравнение моделей и факторы регуляции

ПризнакЭкспоненциальная модельЛогистическая модель
РесурсыСчитаются практически неограниченнымиОграничены
Сопротивление средыНе учитывается или малоУчитывается и усиливается с ростом \(N\)
Форма графикаJ-образнаяS-образная
Предельная численностьНе задаётсяОпределяется ёмкостью среды \(K\)
Реальные условияКратковременный рост при освоении средыБолее реалистичная модель длительного роста

На численность влияют хищничество, конкуренция, паразиты, болезни и климат. Например, уменьшение количества пищи снижает \(K\), а устранение хищников может временно увеличить численность жертв. В результате нарушается экологическое равновесие. При антропогенном изменении территории, загрязнении или изъятии ресурсов меняются и сопротивление среды, и её ёмкость; подробнее это рассматривается в теме влияния человека на экосистемы.

!
Частые ошибки

1. Не путайте \(r\) и скорость роста \(dN/dt\): \(r\) — относительный параметр, а \(dN/dt\) зависит также от численности. 2. Не считайте \(K\) максимальным числом особей вообще: это предел только при данных условиях среды. 3. При \(N=K/2\) скорость роста максимальна, но сама численность ещё не максимальна. 4. Экспоненциальный рост не означает бесконечный реальный рост — это модель для ограниченного периода.

Как выбрать модель

Если в условии сказано об избытке ресурсов, отсутствии конкуренции и постоянном относительном приросте, рассматривайте экспоненциальную модель. Если названы ёмкость среды, ограниченность ресурсов или стабилизация численности, используйте логистическую модель.

Проверка понимания

Q
Быстрый тест по теме

Quick-test

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · Форма графика
Как выглядит график экспоненциального роста при \(r>0\)?
Главное за минуту

Главное

  • Экспоненциальная модель описывает рост при избытке ресурсов: \(dN/dt=rN\), график J-образный.
  • Логистическая модель учитывает сопротивление среды и ёмкость среды \(K\): \(dN/dt=rN(1-N/K)\).
  • Скорость логистического роста максимальна при \(N=K/2\), равна нулю при \(N=K\) и отрицательна при \(N>K\).
  • Ёмкость среды зависит от ресурсов и условий, поэтому может изменяться.
  • Хищничество, конкуренция, болезни, климат и деятельность человека регулируют численность популяций.