NexTutor
Wirtualne laboratorium/Biologia/Ekologia/Drapieżnik–ofiara — model Lotki–Volterry

Drapieżnik–ofiara — model Lotki–Volterry

Liczebności ofiar i drapieżników oscylują — gdy przybywa ofiar, rośnie liczba drapieżników, które je przetrzebiają, przez co same potem giną z głodu, a ofiary znów się odradzają. Szczyt drapieżników przypada z opóźnieniem, po szczycie ofiar. W portrecie fazowym układ krąży po zamkniętej pętli. Zmień tempo rozrodu ofiar, skuteczność drapieżnictwa i śmiertelność drapieżników.

Biologia · Ekologia · Drapieżnik–ofiara (BIO.EKO)
Rozród ofiar α\alpha1.0
Drapieżnictwo β\beta0.030
Śmiertelność drap. γ\gamma1.0
Szczyt liczebności drapieżników przypada…
równowaga N*
67
równowaga P*
33
okres cyklu
6.3 j.
opóźnienie szczytu
1.22 j.

Co się właśnie stało?

Obie populacje falują w kółko, ale nie równocześnie: najpierw rośnie liczba ofiar, a dopiero potem — gdy jest ich pod dostatkiem — mnożą się drapieżniki. Drapieżniki przejadają ofiary, ich liczba spada, drapieżnikom brakuje jedzenia i one też spadają, ofiary znów rosną… i cykl wraca do punktu wyjścia.

Model Lotki–Volterry:

dNdt=αNβNP,dPdt=δNPγP\frac{dN}{dt}=\alpha N-\beta NP,\qquad \frac{dP}{dt}=\delta NP-\gamma P

NN — liczebność ofiar, PP — drapieżników. α\alpha to tempo rozrodu ofiar, β\beta skuteczność polowań, γ\gamma śmiertelność drapieżników, a δ\delta mówi, ile nowych drapieżników daje jedna zjedzona ofiara.

Sprzężenie zwrotne między populacjami:

To układ z ujemnym sprzężeniem zwrotnym: wzrost ofiar napędza wzrost drapieżników (+δNP+\delta NP), a wzrost drapieżników dławi ofiary (βNP-\beta NP). Każda populacja reguluje drugą, dlatego nie ma stabilnej wartości — jest wieczne kołysanie wokół równowagi N\*=γ/δ, P\*=α/βN^\*=\gamma/\delta,\ P^\*=\alpha/\beta.

Przesunięcie fazowe (phase lag):

Drapieżnik reaguje na ofiary z opóźnieniem — potrzebuje czasu, żeby się rozmnożyć. Dlatego jego szczyt zawsze wypada za szczytem ofiar (o ok. ćwierć okresu). To właśnie przesunięcie fazowe, zaznaczone na wykresie strzałką między pionowymi liniami.

Co to portret fazowy?

Zamiast rysować NN i PP w funkcji czasu, rysujemy je względem siebie — NN na osi poziomej, PP na pionowej. Punkt (stan układu) krąży po zamkniętej pętli: po jednym okresie wraca dokładnie tam, gdzie zaczął. Zamknięta krzywa = ruch okresowy, cykliczny. To niezmiennik tego modelu.

Po co Ci to na maturze:

Wykres dwóch oscylujących populacji z drapieżnikiem „o krok w tyle" to klasyka zadań z ekologii. Umieć odczytać, kto jest ofiarą (szczyt wcześniej), a kto drapieżnikiem (szczyt później), i wyjaśnić to sprzężeniem zwrotnym — to gotowe punkty.

Zapamiętaj: ofiary rosną pierwsze, drapieżniki idą za nimi z opóźnieniem, a cały układ krąży po zamkniętej pętli — populacje regulują się wzajemnie i nigdy nie stoją w miejscu.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Najczęstsze pytania

Dlaczego populacje oscylują?

Bo działają na siebie ze sprzężeniem zwrotnym z opóźnieniem: wzrost ofiar napędza wzrost drapieżników, a te redukują ofiary — i cykl się powtarza.

Co to portret fazowy?

Wykres liczebności drapieżników względem liczebności ofiar. Dla modelu Lotki–Volterry jest zamkniętą pętlą — układ wraca do punktu wyjścia.

Co się dzieje, gdy zabraknie ofiar?

Drapieżniki tracą pokarm i ich liczebność spada; przy odbudowie populacji ofiar cykl rusza od nowa.