Biology · Livro 5 · Bachelor Year 3

Biologia universitária — 3.º ano

Biologia universitária — 3.º ano · Bachelor Year 3

27Biologia da Conservação

Em 1813 Audubon viu um bando de pombos-passageiros passar sobre o Kentucky por três dias, escurecendo o céu; eram talvez cinco bilhões deles, um quarto de todas as aves da América do Norte. Em 1º de setembro de 1914 o último deles, uma fêmea chamada Martha, morreu no zoológico de Cincinnati. A espécie não era rara quando seu declínio começou; ela foi colhida a vagões de trem, suas florestas foram cortadas, e uma ave que só se reproduzia em colônias imensas não conseguiu mais se reproduzir depois que as colônias rarearam abaixo de um tamanho que ninguém mediu. Em 1995 o kakapo, um papagaio noturno e não voador da Nova Zelândia, estava reduzido a cinquenta e uma aves; cada uma delas foi desde então nomeada, pesada, equipada com um transmissor e, no momento certo, servida com uma refeição suplementar, e hoje são duzentas e cinquenta. No mesmo ano trinta e um lobos-cinzentos foram soltos em Yellowstone, setenta anos depois de a última alcateia nativa ter sido abatida; em duas décadas os wapitis haviam se deslocado, os salgueiros tinham voltado ao longo dos rios, e os castores com eles. A biologia da conservação é a aplicação da genética de populações, da ecologia e do comportamento deste livro a uma única pergunta prática — como impedir que as espécies desapareçam — e sua aritmética é a aritmética dos números pequenos.

27.1 Por que as populações pequenas morrem

Definição 27.1 (Os riscos da pequenez)

Uma população grande declina quando sua taxa de mortalidade excede a de natalidade; uma pequena pode sumir sem qualquer mudança em nenhuma das duas. A estocasticidade demográfica é a chance de que, entre uns poucos indivíduos, morram mais do que nascem, ou de que todos os sobreviventes sejam machos: ela importa abaixo de algumas dezenas. A estocasticidade ambiental — um inverno ruim, uma seca, uma doença — atinge todos os indivíduos de uma só vez, e uma população de algumas centenas que uma grande atravessaria sem problema pode ser varrida; as catástrofes são sua cauda. O efeito Allee faz a taxa de crescimento per capita cair em densidade baixa — não se acham parceiros, os reprodutores coloniais não conseguem nidificar, os rebanhos não conseguem defender seus filhotes, os bandos do pombo-passageiro não conseguiam saturar os predadores que levavam seus filhotes —, de modo que abaixo de uma densidade-limiar a população declina rumo a zero por conta própria. E abaixo de algumas centenas, os processos genéticos da próxima seção reduzem a aptidão geração após geração. Uns alimentam os outros: uma população menor perde variação, fica menos fértil, encolhe, tem mais chance de ser atingida pelo acaso e perde mais — o vórtice de extinção (Gilpin e Soulé, 1986). Uma população mínima viável é o tamanho acima do qual a probabilidade de extinção num horizonte declarado (digamos, 5 %5\,\% num século) é aceitável; ela depende da biologia da espécie e de quão variável é seu ambiente, e em geral está na casa dos milhares.

O vórtice de extinção. Um golpe externo torna uma população pequena; a pequenez então faz perder variação, baixa a aptidão, expõe a população ao acaso e a torna ainda menor. A tarefa da conservação é romper a alça antes que ela se feche.
O vórtice de extinção. Um golpe externo torna uma população pequena; a pequenez então faz perder variação, baixa a aptidão, expõe a população ao acaso e a torna ainda menor. A tarefa da conservação é romper a alça antes que ela se feche.

Teorema 27.2 (Tamanho efetivo da população)

A velocidade com que uma população perde variação e acumula endogamia é governada não por seu tamanho censitário NN, mas por seu tamanho efetivo NeN_{e}: o tamanho de uma população ideal — constante, com acasalamento aleatório, razão sexual igual e tamanhos de família de Poisson — que perderia heterozigosidade na mesma velocidade. Três desvios do ideal o reduzem. A razão sexual desigual, com NmN_{m} machos e NfN_{f} fêmeas reprodutores:

Ne=4NmNfNm+Nf;N_{e} = \frac{4N_{m}N_{f}}{N_{m} + N_{f}} ;

um macho e cem fêmeas dão Ne≈4N_{e} \approx 4. O tamanho flutuante ao longo de tt gerações: NeN_{e} é a média harmônica dos tamanhos das gerações, 1/Ne=(1/t)∑1/Ni1/N_{e} = (1/t)\sum 1/N_{i}, dominada pelo menor — uma população de mil que uma vez passou por dez tem NeN_{e} perto de cem nesse intervalo. E a variância no tamanho da família acima da de Poisson o reduz ainda mais. Numa população de tamanho efetivo NeN_{e} o coeficiente de endogamia FF — a probabilidade de que os dois alelos de um locus num indivíduo sejam cópias de um mesmo alelo ancestral — sobe 1/2Ne1/2N_{e} por geração,

Ft=1−(1−12Ne)t≈t2Ne,Ht=H0(1−12Ne)t,F_{t} = 1 - \Bigl(1 - \frac{1}{2N_{e}}\Bigr)^{t} \approx \frac{t}{2N_{e}}, \qquad H_{t} = H_{0}\Bigl(1 - \frac{1}{2N_{e}}\Bigr)^{t} ,

e a heterozigosidade HH decai na mesma velocidade. A regra prática de Franklin, “50/500”: Ne≥50N_{e} \ge 50 mantém a endogamia abaixo de 1 %1\,\% por geração, a taxa que os criadores de animais toleram; Ne≥500N_{e} \ge 500 permite que a mutação reponha a variação que a deriva retira. Como NeN_{e} é tipicamente um décimo do tamanho censitário, a regra pede populações de quinhentos a cinco mil.

Demonstração. Dois gametas sorteados ao acaso da população são cópias do mesmo alelo parental com probabilidade 1/2N1/2N na população ideal, que é o incremento de FF; a heterozigosidade é 1−F1 - F reescalado, de modo que cada geração a multiplica por (1−1/2Ne)(1 - 1/2N_{e}), dando o decaimento exponencial e, para t≪Net \ll N_{e}, a subida linear de FF. Razão sexual: metade dos genes vem de cada sexo, de modo que a chance de dois gametas compartilharem um alelo parental é 14⋅12Nm+14⋅12Nf\tfrac{1}{4}\cdot\tfrac{1}{2N_{m}} + \tfrac{1}{4}\cdot\tfrac{1}{2N_{f}} (um quarto dos pares são ambos paternos, e um quarto ambos maternos); igualando isso a 1/2Ne1/2N_{e} obtém-se 1/Ne=1/(4Nm)+1/(4Nf)1/N_{e} = 1/(4N_{m}) + 1/(4N_{f}), a fórmula. Flutuação: a heterozigosidade após tt gerações é H0∏(1−1/2Ni)≈H0exp⁡(−∑1/2Ni)H_{0}\prod(1 - 1/2N_{i}) \approx H_{0}\exp(-\sum 1/2N_{i}), igual a H0exp⁡(−t/2Ne)H_{0}\exp(-t/2N_{e}) quando 1/Ne1/N_{e} é a média dos 1/Ni1/N_{i}. A endogamia baixa a aptidão porque expõe alelos recessivos deletérios em homozigose — a depressão endogâmica, uma queda de alguns por cento na sobrevivência ou na fecundidade a cada 10 %10\,\% de FF na maioria das espécies exogâmicas. ∎

À esquerda: como uma razão sexual desequilibrada encolhe o tamanho efetivo — uma espécie de haréns com um décimo dos machos se reproduzindo tem um N_e igual a um terço de seu censo. À direita: a heterozigosidade decaindo por (1 - 1/2N_e) a cada geração — uma população de dez perde a maior parte de sua variação num século, e uma de quinhentas quase nada.
À esquerda: como uma razão sexual desequilibrada encolhe o tamanho efetivo — uma espécie de haréns com um décimo dos machos se reproduzindo tem um NeN_{e} igual a um terço de seu censo. À direita: a heterozigosidade decaindo por (1−1/2Ne)(1 - 1/2N_{e}) a cada geração — uma população de dez perde a maior parte de sua variação num século, e uma de quinhentas quase nada.

Evidência. A pantera-da-flórida, reduzida a uns vinte e cinco animais nos anos 1990, apresentava caudas tortas, testículos que não desciam, defeitos cardíacos e espermatozoides dos quais 90 %90\,\% eram anormais — a depressão endogâmica tornada visível; oito fêmeas introduzidas do Texas em 1995 (o resgate genético) triplicaram a população e os defeitos recuaram. Os lobos da Ilha Royale, fundados por um casal em 1949 e isolados, declinaram a dois indivíduos grosseiramente endogâmicos até 2018, com deformidades da coluna na maioria dos esqueletos examinados. A galinha-da-pradaria-grande de Illinois caiu de milhares para cinquenta, e sua taxa de eclosão dos ovos de 93 %93\,\% para 56 %56\,\%, recuperando-se depois que aves foram trazidas de outros estados. Peles de museu e DNA antigo permitiram medir diretamente a perda de heterozigosidade em relação à população anterior ao declínio em cada caso. ∎

À esquerda: Martha, o último pombo-passageiro, fotografada no zoológico de Cincinnati em 1912; a espécie tinha sido de bilhões dentro da memória de quem vivia (fotografia de Enno Meyer, domínio público). À direita: um guepardo — uma espécie que passou por um gargalo uns dez mil anos atrás e cujos indivíduos são tão parecidos que enxertos de pele entre animais não aparentados não são rejeitados. À esquerda: Martha, o último pombo-passageiro, fotografada no zoológico de Cincinnati em 1912; a espécie tinha sido de bilhões dentro da memória de quem vivia (fotografia de Enno Meyer, domínio público). À direita: um guepardo — uma espécie que passou por um gargalo uns dez mil anos atrás e cujos indivíduos são tão parecidos que enxertos de pele entre animais não aparentados não são rejeitados.
À esquerda: Martha, o último pombo-passageiro, fotografada no zoológico de Cincinnati em 1912; a espécie tinha sido de bilhões dentro da memória de quem vivia (fotografia de Enno Meyer, domínio público). À direita: um guepardo — uma espécie que passou por um gargalo uns dez mil anos atrás e cujos indivíduos são tão parecidos que enxertos de pele entre animais não aparentados não são rejeitados.

27.2 Hábitat: quanto, e com que forma

Proposição 27.3 (Espécies e área)

Entre ilhas, e entre fragmentos de hábitat que se comportam como ilhas, o número de espécies SS sobe com a área AA como uma lei de potência,

S=c Az,z≈0.15–0.35,S = c\,A^{z}, \qquad z \approx 0.15\text{--}0.35,

a relação espécies–área (Arrhenius, 1921; a biogeografia de ilhas de MacArthur e Wilson, 1967, a explicou como um equilíbrio entre imigração e extinção, sendo a extinção mais rápida nas ilhas pequenas). Com z=0.25z = 0.25, perder 90 %90\,\% da área de um hábitat acaba por perder 1−0.10.25=44 %1 - 0.1^{0.25} = 44\,\% de suas espécies; perder metade perde 16 %16\,\%. A perda não é imediata — uma dívida de extinção é paga ao longo de décadas, à medida que populações pequenas demais para seus fragmentos definham — e a fragmentação de uma área fixa em pedaços acrescenta perdas próprias: cada fragmento abriga uma população menor, os efeitos de borda (vento, calor, predadores, ervas daninhas) penetram centenas de metros floresta adentro, e as espécies que precisam do interior perdem mais do que a área explica. Se uma única reserva grande ou várias pequenas de mesma área total salvam mais espécies (o debate SLOSS) depende das espécies: a grande abriga populações maiores e hábitat de interior, e as pequenas espalham o risco de uma catástrofe e amostram mais tipos de hábitat. Os corredores que conectam fragmentos deixam indivíduos e genes se moverem entre eles, transformando populações isoladas numa metapopulação cujas partes podem ser recolonizadas após uma extinção local e resgatadas da endogamia — e é por isso que a terra entre as reservas virou uma preocupação tanto quanto as próprias reservas.

Demonstração. A lei de potência é empírica, ajustada em eixos log–log a arquipélagos, lagos, topos de montanha e fragmentos de floresta pelo mundo todo; o valor de zz é menor para pedaços de um continente (a imigração mantém as espécies presentes) e maior para ilhas verdadeiras. A perda fracionária decorre diretamente: S′/S=(A′/A)zS'/S = (A'/A)^{z}. O mecanismo da biogeografia de ilhas foi testado por Simberloff e Wilson (1969), que fumigaram pequenas ilhotas de mangue na Flórida, matando todos os artrópodes, e observaram os números de espécies voltarem a seus valores anteriores em um ano — um equilíbrio, com espécies diferentes das de antes: o número é fixado pela área e pela distância, e as identidades, pelo acaso. ∎

A lei espécies–área em eixos logarítmicos. Sua inclinação é o expoente z; dela se pode ler a perda final de espécies de um hábitat encolhido — um décimo da floresta mantém cerca de metade das espécies, e não o décimo que um palpite linear daria.
A lei espécies–área em eixos logarítmicos. Sua inclinação é o expoente zz; dela se pode ler a perda final de espécies de um hábitat encolhido — um décimo da floresta mantém cerca de metade das espécies, e não o décimo que um palpite linear daria.
Fragmentos de floresta em terras agrícolas, vistos do ar: cada ilha abriga uma população menor que a do todo, debruada por uma faixa que as espécies do interior não conseguem usar, e separada por campos que as espécies florestais não conseguem atravessar.
Fragmentos de floresta em terras agrícolas, vistos do ar: cada ilha abriga uma população menor que a do todo, debruada por uma faixa que as espécies do interior não conseguem usar, e separada por campos que as espécies florestais não conseguem atravessar.

27.3 Prever e prevenir

Método 27.4 (Análise de viabilidade populacional)

Para estimar o risco de extinção de uma população e o que o reduziria: (1) construa um modelo de sua dinâmica — uma matriz de sobrevivência e fecundidade específicas por idade ou estágio, como na demografia do volume do Ano 2, estimada a partir de indivíduos marcados ao longo de vários anos; (2) acrescente estocasticidade — demográfica, sorteando ao acaso o destino de cada indivíduo, e ambiental, sorteando as taxas de cada ano a partir de sua variância observada, com catástrofes ocasionais; (3) acrescente dependência da densidade e o declínio genético da endogamia onde os dados permitirem; (4) simule milhares de trajetórias a partir do tamanho atual ao longo do horizonte de interesse e registre a fração que cai abaixo de um limiar de quase extinção (um tamanho a partir do qual se julga impossível a recuperação); (5) varie as entradas — sobrevivência de adultos, sobrevivência de jovens, área de hábitat, uma translocação de dez animais — e veja que mudança mais reduz o risco; é para lá que o esforço deve ir. A saída é uma probabilidade com ampla incerteza, e não uma previsão; seu valor é comparativo, e ela mostrou repetidamente que a sobrevivência dos adultos, e não a fecundidade, é a alavanca nas espécies longevas, e é por isso que as linhas de pesca matam as populações de albatrozes que põem um ovo a cada dois anos mais depressa do que qualquer perda de ninhos conseguiria.

Proposição 27.5 (Tempo até a extinção)

Para uma população que flutua porque o ambiente flutua, com taxa média de crescimento rˉ\bar r perto de zero e variância σ2\sigma^{2} na taxa anual de crescimento, o logaritmo do tamanho populacional faz um passeio aleatório com deriva, e o tempo esperado até a extinção a partir de um tamanho NN cresce apenas com o logaritmo de NN quando rˉ<0\bar r < 0 — dobrar a população acrescenta um número fixo de anos — e com uma potência de NN quando rˉ>0\bar r > 0, com expoente 2rˉ/σ2−12\bar r/\sigma^{2} - 1; sob estocasticidade demográfica apenas, ele cresce exponencialmente com NN, de modo que uma população segura do acaso demográfico com cem indivíduos ainda pode ser perdida para a variância ambiental com dez mil. A consequência prática é que reduzir a variância do crescimento de uma população — amortecendo-a contra os anos ruins com mais hábitat, mais sítios, uma dieta mais ampla — pode fazer mais por sua persistência que elevar sua média.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

Três trajetórias simuladas a partir dos mesmos duzentos animais, diferindo apenas na taxa média de crescimento; uma análise de viabilidade roda milhares delas e conta quantas cruzam o limiar. A variância de ano para ano é o que torna até o caso do meio uma aposta.
Três trajetórias simuladas a partir dos mesmos duzentos animais, diferindo apenas na taxa média de crescimento; uma análise de viabilidade roda milhares delas e conta quantas cruzam o limiar. A variância de ano para ano é o que torna até o caso do meio uma aposta.

Definição 27.6 (As ferramentas)

A Lista Vermelha da IUCN classifica as espécies por critérios quantitativos: um declínio de 30 %30\,\%, 50 %50\,\% ou 80 %80\,\% em dez anos ou três gerações, uma área de distribuição abaixo de 20 000 20\,000\,, 5000 5000\, ou 100 km2100\,\mathrm{km}^{2}, uma população abaixo de 10 000 10\,000\,, 2500 2500\, ou 250 250\, indivíduos maduros, ou uma probabilidade de extinção modelada, colocam uma espécie como Vulnerável, Em Perigo ou Criticamente em Perigo; um quarto dos mamíferos e um oitavo das aves se enquadram. As causas são, primeiro, a perda de hábitat; depois, a sobre-exploração, as espécies invasoras (predadores e competidores levados a ilhas cujas espécies nunca os haviam encontrado: ratos, gatos e arminhos levaram a maior parte das aves da Nova Zelândia, e uma única espécie de cobra-arborícola-marrom, a maior parte das de Guam), a poluição e a mudança climática. As respostas: áreas protegidas cobrindo um sexto das terras; o controle ou a erradicação dos invasores (cento e cinquenta ilhas limpas de ratos); a conservação ex situ — bancos de sementes guardando um milhão de acessos num cofre no permafrost do Ártico, embriões congelados, e a reprodução em cativeiro com pedigrees manejados para minimizar o parentesco, que trouxe o condor-da-califórnia de volta de vinte e duas aves em 1987 e o furão-de-patas-pretas de dezoito; a reintrodução, que dá certo cerca de um terço das vezes e mais frequentemente quando a causa da perda original foi removida; e o reflorestamento faunístico, o retorno dos animais grandes e dos processos que eles impulsionam — os lobos de Yellowstone, cuja predação e cujo medo tiraram os wapitis das margens dos rios e deixaram voltar o salgueiro, o álamo, o castor e as aves canoras, uma cascata trófica que vai de um carnívoro à forma de um rio.

À esquerda: Sirocco, um kakapo — um dos cinquenta e um sobreviventes de 1995, hoje um de uns duzentos e cinquenta, cada um nomeado e monitorado em ilhas livres de predadores (fotografia: Department of Conservation, Nova Zelândia, CC BY 2.0). À direita: lobos em Yellowstone em 1996, o primeiro inverno após sua reintrodução (fotografia: National Park Service, domínio público). À esquerda: Sirocco, um kakapo — um dos cinquenta e um sobreviventes de 1995, hoje um de uns duzentos e cinquenta, cada um nomeado e monitorado em ilhas livres de predadores (fotografia: Department of Conservation, Nova Zelândia, CC BY 2.0). À direita: lobos em Yellowstone em 1996, o primeiro inverno após sua reintrodução (fotografia: National Park Service, domínio público).
À esquerda: Sirocco, um kakapo — um dos cinquenta e um sobreviventes de 1995, hoje um de uns duzentos e cinquenta, cada um nomeado e monitorado em ilhas livres de predadores (fotografia: Department of Conservation, Nova Zelândia, CC BY 2.0). À direita: lobos em Yellowstone em 1996, o primeiro inverno após sua reintrodução (fotografia: National Park Service, domínio público).

Exemplo 27.7 (Três recuperações)

O kakapo: cinquenta e uma aves em 1995, todas levadas para ilhas limpas de predadores; cada ave carrega um transmissor, cada ninho é vigiado por câmera, os filhotes são criados à mão quando uma mãe falha, os machos são alimentados para entrarem em condição reprodutiva nos anos em que as árvores de rimu frutificam, e o pedigree é manejado para manter na população os genes raros do último macho de Fiordland; o genoma de cada kakapo foi sequenciado. São duzentos e cinquenta agora, e um NeN_{e} que os genomas põem perto de cem. O grou-americano: quinze aves em 1941, um único bando migratório, criado em cativeiro a partir de ovos retirados de ninhos silvestres, ensinado a novas rotas de migração atrás de aviões ultraleves, e hoje uns oitocentos. A baleia-jubarte: caçada até uns poucos milhares, protegida em 1966, e hoje além de cem mil, um aumento perto de 8 %8\,\% ao ano que mostra o que um animal longevo faz quando a única causa de seu declínio é removida. Cada recuperação custou dezenas de milhões e décadas; a aritmética do capítulo diz por que o esforço teve de ser gasto antes que os números chegassem ao vórtice, e por que ele saiu mais barato que qualquer resgate posterior.

Um cofre de sementes no permafrost: duplicatas de um milhão de acessos de plantas cultivadas e silvestres, mantidas a -18\, C contra a perda das coleções de onde vieram — a conservação como seguro, na escala do genoma de uma espécie.
Um cofre de sementes no permafrost: duplicatas de um milhão de acessos de plantas cultivadas e silvestres, mantidas a −18 ∘C-18\,{}^{\circ}\mathrm{C} contra a perda das coleções de onde vieram — a conservação como seguro, na escala do genoma de uma espécie.

Observação 27.8 (A aritmética de manter)

Cada capítulo deste curso terminou num número, e este termina em vários: um tamanho efetivo, um coeficiente de endogamia subindo 1/2Ne1/2N_{e} por geração, um expoente zz que converte hectares perdidos em espécies perdidas, uma probabilidade de extinção ao longo de um século. Eles são grosseiros — o censo é incerto, a variância é adivinhada, o modelo é uma caricatura — e são o que transforma um sentimento a respeito de aves que somem numa decisão sobre que cinquenta hectares comprar e que oito animais mudar de lugar. A biologia é a mesma biologia do resto do livro: deriva, seleção, demografia, comportamento, a dependência de uma população de seu hábitat e de um hábitat de suas populações. O que há de novo é apenas a urgência, e o fato de que o experimento está sendo feito uma única vez, sem controle, sobre as espécies que restam.

27.4 Exercícios

Exercício 27.1 ★

Defina estocasticidade demográfica, estocasticidade ambiental e efeito Allee, e dê um exemplo de cada um tirado do capítulo.

Solução

Solução de Exercício 27.1.

Estocasticidade demográfica: o acaso nos nascimentos, nas mortes e nos sexos de uns poucos indivíduos — o kakapo com cinquenta e um, com mais machos que fêmeas. Estocasticidade ambiental: um ano ruim que atinge todos os indivíduos de uma vez — uma seca, uma doença, um inverno rigoroso golpeando uma população de algumas centenas. Efeito Allee: o crescimento per capita caindo em densidade baixa — o pombo-passageiro, cujas colônias não conseguiam se reproduzir depois de rareadas, e cujos predadores restantes já não eram saturados.

Exercício 27.2 ★

O que é o tamanho efetivo da população, e nomeie três características de uma população real que o tornam menor que o censo.

Solução

Solução de Exercício 27.2.

O tamanho de uma população ideal — constante, com acasalamento aleatório, sexos iguais e tamanhos de família de Poisson — que perderia heterozigosidade na mesma velocidade que a real. Números desiguais de machos e fêmeas reprodutores; flutuações de tamanho, que pesam as gerações menores; variância no tamanho da família acima da de Poisson, com poucos indivíduos produzindo a maior parte dos filhotes (e também acasalamento não aleatório e gerações sobrepostas).

Exercício 27.3 ★

Enuncie a lei espécies–área. Se z=0.25z = 0.25, que fração das espécies um hábitat mantém depois de perder metade de sua área? E nove décimos? E noventa e nove centésimos?

Solução

Solução de Exercício 27.3.

S=cAzS = cA^{z}. Fração mantida =(A′/A)z= (A'/A)^{z}: 0.50.25=0.840.5^{0.25} = 0.84; 0.10.25=0.560.1^{0.25} = 0.56; 0.010.25=0.320.01^{0.25} = 0.32 — um centésimo da área ainda mantém, no fim, um terço das espécies.

Exercício 27.4 ★

Explique a regra 50/500 e contra o que cada número protege.

Solução

Solução de Exercício 27.4.

Ne≥50N_{e} \ge 50 mantém a subida da endogamia abaixo de 1/1001/100 por geração, a taxa em que os criadores de animais acham a depressão tolerável: protege contra a perda de aptidão no curto prazo. Ne≥500N_{e} \ge 500 equilibra a perda de variação pela deriva contra seu fornecimento pela mutação, de modo que a população mantém a variação quantitativa de que precisa para se adaptar: protege o longo prazo. As populações reais precisam de cinco a dez vezes esses números no censo.

Exercício 27.5 ★★

Um bando de 200 elefantes-marinhos tem 8 machos e 120 fêmeas reprodutores. Calcule NeN_{e} e a perda de heterozigosidade por geração. Quantas gerações para perder um quarto dela?

Solução

Solução de Exercício 27.5.

Ne=4×8×120/128=30N_{e} = 4\times 8\times 120/128 = 30; a heterozigosidade cai 1/60=1.7 %1/60 = 1.7\,\% por geração; um quarto se perde quando (1−1/60)t=0.75(1 - 1/60)^{t} = 0.75, t=ln⁡0.75/ln⁡(59/60)=17t = \ln 0.75/\ln(59/60) = 17 gerações.

Exercício 27.6 ★★

Uma população contou 1000, 1000, 20, 1000, 1000 em cinco gerações sucessivas. Calcule NeN_{e} no intervalo e a heterozigosidade retida, e compare com um valor constante de 1000.

Solução

Solução de Exercício 27.6.

1/Ne=15(4/1000+1/20)=0.01081/N_{e} = \tfrac{1}{5}(4/1000 + 1/20) = 0.0108, Ne=93N_{e} = 93: uma geração com vinte fez cinco gerações se comportarem como noventa e três. Heterozigosidade retida (1−1/186)5=0.973(1 - 1/186)^{5} = 0.973, contra (1−1/2000)5=0.9975(1 - 1/2000)^{5} = 0.9975 para um milhar constante.

Exercício 27.7 ★★

Vinte e cinco panteras-da-flórida com Ne≈10N_{e} \approx 10: endogamia acumulada em 5 gerações? Se a aptidão cai 5 %5\,\% a cada 10 %10\,\% de FF, de quanto ela caiu? O que acrescentar oito fêmeas não aparentadas faz com FF na geração seguinte?

Solução

Solução de Exercício 27.7.

F=1−(1−1/20)5=0.23F = 1 - (1 - 1/20)^{5} = 0.23; aptidão reduzida em 5×2.3=11 %5\times 2.3 = 11\,\%. Todo filhote de uma fêmea texana com um macho da Flórida tem F=0F = 0; se as oito recém-chegadas forem dois quintos das fêmeas reprodutoras, dois quintos da geração seguinte são exogâmicos e o FF médio cai a cerca de 0.6×0.23=0.140.6\times 0.23 = 0.14 em uma geração — que é o que a recuperação mostrou.

Exercício 27.8 ★★

Yellowstone: 31 lobos soltos em 1995–96, cerca de 100 no parque em 2003. Estime rr; quantos haveria em 2020 se o crescimento tivesse continuado, e por que ele não continuou?

Solução

Solução de Exercício 27.8.

r=ln⁡(100/31)/8=0.15 yr−1r = \ln(100/31)/8 = 0.15\,\mathrm{yr}^{-1}. Continuando até 2020: 100 e0.15×17≈1200100\,\mathrm{e}^{0.15\times 17} \approx 1200. O parque abrigou cerca de cem: os territórios se encheram, os wapitis declinaram, as alcateias mataram membros umas das outras, e a sarna e a cinomose se espalharam — a dependência da densidade se instalou quando a área vazia foi ocupada.

Exercício 27.9 ★★

Classifique pelos critérios da IUCN vistos no capítulo: (a) uma rã cuja população caiu 60 %60\,\% em dez anos; (b) uma planta de 180 indivíduos maduros; (c) um peixe cuja área de distribuição é de 3000 km23000\,\mathrm{km}^{2}; (d) uma ave de 30 00030\,000 indivíduos declinando 10 %10\,\% por década.

Solução

Solução de Exercício 27.9.

(a) Um declínio de 60 %60\,\% em dez anos ultrapassa 50 %50\,\%: Em Perigo. (b) 180<250180 < 250 indivíduos maduros: Criticamente em Perigo. (c) Área de distribuição de 3000 km23000\,\mathrm{km}^{2}, abaixo de 5000 5000\,: Em Perigo. (d) 30 00030\,000 indivíduos e um declínio de 10 %10\,\%: nenhum limiar atingido — não ameaçada (no máximo Quase Ameaçada, a observar).

Exercício 27.10 ★★★

Uma população de NN casais, cada um produzindo, com probabilidade 1/21/2, dois descendentes sobreviventes e, caso contrário, nenhum (estocasticidade demográfica). Calcule a probabilidade de que toda a população falhe em uma geração para N=2N = 2, 55, 1010, 2020, e comente como o risco demográfico escala com NN.

Solução

Solução de Exercício 27.10.

Todos os NN casais falham com probabilidade (1/2)N(1/2)^{N}: 0.250.25, 0.0310.031, 0.0010.001, 10−610^{-6}. O risco demográfico cai exponencialmente com NN e é desprezível além de algumas dezenas de indivíduos; acima disso, o risco que resta é ambiental, que não cai tão depressa, porque atinge todos os indivíduos juntos.

Exercício 27.11 ★★★

A lei espécies–área com z=0.25z = 0.25, e uma floresta cortada em 10 fragmentos isolados iguais. Compare as espécies esperadas num fragmento com as de um décimo da original, e argumente por que o total entre os fragmentos não é simplesmente o original — o que determina se os fragmentos juntos abrigam mais ou menos espécies que o todo abrigava?

Solução

Solução de Exercício 27.11.

Um fragmento de um décimo: 0.10.25=0.560.1^{0.25} = 0.56 das espécies originais. Dez fragmentos abrigam entre 0.560.56 (se todos abrigarem as mesmas espécies) e, em princípio, mais que o todo (se cada um abrigasse espécies diferentes — impossível além do conjunto regional). Onde eles caem depende da rotatividade entre fragmentos: hábitats diferentes em fragmentos diferentes empurram o total para cima; as espécies que precisam de grandes áreas, de hábitat de interior, ou que são perdidas de todo fragmento pelos mesmos efeitos de borda, o empurram para baixo; e a dívida de extinção de cada fragmento é paga separadamente, de modo que o total de longo prazo costuma ficar abaixo do total do todo.

Exercício 27.12 ★★★

Por que acrescentar uns poucos migrantes por geração (mNe≈1m N_{e} \approx 1) praticamente interrompe a perda de variação numa população pequena, e o que isso custa em adaptação local? Use o equilíbrio entre a deriva, 1/2Ne1/2N_{e}, e a fração de alelos substituídos por migrantes, mm, para argumentar.

Solução

Solução de Exercício 27.12.

A deriva retira heterozigosidade à taxa 1/2Ne1/2N_{e} por geração; os imigrantes substituem uma fração mm do patrimônio genético por alelos vindos de outro lugar. Com mNe≈1mN_{e} \approx 1, m≈1/Nem \approx 1/N_{e}, o dobro da taxa de perda, de modo que a variação é reposta mais depressa do que decai e a população fica perto da fonte em frequência alélica (FST=1/(1+4Nem)≈0.2F_{ST} = 1/(1 + 4N_{e}m) \approx 0.2). O custo: os alelos favorecidos localmente são diluídos em mm por geração, de modo que a adaptação local só sobrevive para características cujo coeficiente de seleção ultrapasse cerca de 1/Ne1/N_{e}; as diferenças locais fracamente selecionadas são engolidas.

27.5 Problema: Cinquenta e Quinhentos

Problema 27.1

Problema de fim de semana — um programa de recuperação em números: o tamanho efetivo de uma população resgatada de papagaios e sua endogamia, um resgate genético, as espécies que uma floresta em encolhimento manterá, o crescimento de lobos reintroduzidos, e as categorias e os custos, terminando em NeN_{e}, na endogamia após dez gerações e na fração de espécies mantida

Dados: uma população de papagaios de 60 adultos, 20 machos e 40 fêmeas, todos reprodutores; tempo de geração 10 yr10\,\mathrm{yr}. História da população nas últimas cinco gerações: 500, 100, 60, 51, 60. Depressão endogâmica: a aptidão cai 6 %6\,\% a cada 0.1 0.1\, de FF. Resgate: 10 aves não aparentadas acrescentadas às 60. Floresta: 2000 km22000\,\mathrm{km}^{2} reduzidos a 300 km2300\,\mathrm{km}^{2}, z=0.25z = 0.25; espécies hoje, 180. Lobos: 31 soltos, 100 após 8 anos, capacidade de suporte no parque de cerca de 120. Custo: quatro milhões de dólares por ano para os papagaios.

Parte I — Tamanho efetivo.

  1. NeN_{e} a partir da razão sexual dos 60 atuais. Compare com o censo.
  2. NeN_{e} como média harmônica ao longo das cinco gerações da história. Que geração domina?
  3. Endogamia acumulada ao longo dessas cinco gerações, usando o NeN_{e} da média harmônica (fórmula exata e aproximação linear).
  4. Aptidão perdida por essa endogamia.
  5. Heterozigosidade retida após as cinco gerações, como fração da original.
  6. Se a população for mantida agora em 60 com a razão sexual atual, que FF ela alcançará em mais dez gerações, e que perda de aptidão? Quantos anos são?

Parte II — Resgate.

  1. Dez aves não aparentadas se juntam às 60. A fração de alelos da geração seguinte vinda dos recém-chegados é de cerca de 10/7010/70; o coeficiente de endogamia dos filhotes com um progenitor nativo e um recém-chegado é 00. Estime o FF médio da população na geração seguinte se o acasalamento for aleatório.
  2. Explique por que FF cai de imediato mas a heterozigosidade só sobe à medida que os alelos dos migrantes se espalham, e por que um segundo resgate pode ser necessário.
  3. Para alcançar Ne=500N_{e} = 500 com razão sexual igual, quantos adultos são necessários? A r=0.05 yr−1r = 0.05\,\mathrm{yr}^{-1} a partir de 70 aves, quantos anos?
  4. O programa retira ovos de mães ruins para criação à mão, elevando o número médio de filhotes emplumados por casal mas igualando os tamanhos das famílias. Por que igualar os tamanhos das famílias eleva NeN_{e} acima do censo (rumo a 2N2N)?
  5. O último macho de uma linhagem meridional distinta é estéril na natureza. Proponha duas intervenções e seus custos para o patrimônio genético.
  6. A quatro milhões de dólares por ano ao longo dos 40 anos até alcançar Ne=500N_{e} = 500, custo total e custo por ave acrescentada. Isso é caro? Comparado com o quê?

Parte III — Floresta.

  1. Fração das espécies que a floresta manterá com 300 km2300\,\mathrm{km}^{2}; número esperado de espécies e a dívida de extinção (espécies presentes hoje que serão perdidas).
  2. Se, em vez disso, os 300 km2300\,\mathrm{km}^{2} fossem três fragmentos isolados de 100 km2100\,\mathrm{km}^{2}, espécies por fragmento; total se os fragmentos abrigassem espécies inteiramente diferentes; total se abrigassem as mesmas. O que decide?
  3. Um corredor de 20 km220\,\mathrm{km}^{2} une os três fragmentos. Trate-os como uma área única de 320 km2320\,\mathrm{km}^{2}: espécies esperadas. Compare com o caso de espécies idênticas da questão 14.
  4. O maior predador da floresta precisa de 50 km250\,\mathrm{km}^{2} por casal e de um NeN_{e} de 50 para persistir. Os 300 km2300\,\mathrm{km}^{2} inteiros conseguem abrigá-lo? E um fragmento? O que isso diz sobre a área contra o número de espécies como critério?
  5. Estime quanto tempo a dívida de extinção leva para ser paga se as espécies perdidas tiverem populações declinando 3 %3\,\% ao ano de 200 até um limiar de quase extinção de 10.
  6. Por que a lei espécies–área subestima a perda quando a fragmentação acrescenta efeitos de borda, e a superestima quando a terra do entorno é em parte utilizável?

Parte IV — Lobos e listas.

  1. Lobos: rr de 31→10031 \to 100 em 8 anos, e o tempo de duplicação.
  2. Crescimento logístico rumo a K=120K = 120: população após 8 anos sob crescimento logístico em vez de exponencial, partindo de 31 com o rr da questão 19 (use N(t)=K/[1+(K/N0−1)e−rt]N(t) = K/[1 + (K/N_{0} - 1)\mathrm{e}^{-rt}]). Qual se ajusta melhor aos 100 observados, e o que isso diz sobre a dependência da densidade nos primeiros anos?
  3. Os wapitis eram 17 00017\,000 em 1995 e 40004000 em 2015. Taxa média anual de declínio. Quanto dela lobos que comem 2020 wapitis cada por ano conseguem explicar, com 100 lobos?
  4. Classifique o papagaio (60 indivíduos maduros) e o predador da floresta antes do resgate pelos critérios da IUCN.
  5. Pombo-passageiro: cinco bilhões em 1800, extinto em 1914. Se o declínio foi exponencial de 1870, quando ainda eram bilhões, até uma ave em 1914, que taxa anual isso implica? Por que o efeito Allee torna as últimas décadas mais rápidas que a exponencial?
  6. Explique num parágrafo por que uma AVP teria dito que o pombo-passageiro estava seguro em 1850, e o que ela teria deixado passar.
  7. Resuma: o NeN_{e} atual (questão 1), o FF após mais dez gerações com 60 (questão 6) e a fração de espécies que a floresta encolhida mantém (questão 13).
Solução

Solução de Problema 27.1.

1. Ne=4×20×40/60=53N_{e} = 4\times 20\times 40/60 = 53, contra um censo de 60. 2. 1/Ne=15(1/500+1/100+1/60+1/51+1/60)=0.01301/N_{e} = \tfrac{1}{5}(1/500 + 1/100 + 1/60 + 1/51 + 1/60) = 0.0130, Ne=77N_{e} = 77; as gerações de gargalo, de 51 e 60, dominam, e a de 500 quase não conta. 3. F=1−(1−1/154)5=0.032F = 1 - (1 - 1/154)^{5} = 0.032; linear, 5/154=0.0325/154 = 0.032. 4. 6×0.32=1.9 %6\times 0.32 = 1.9\,\%. 5. (1−1/154)5=0.968(1 - 1/154)^{5} = 0.968: 96.8 %96.8\,\% retida. 6. Dez gerações com Ne=53N_{e} = 53: incremento 1−(1−1/107)10=0.0901 - (1 - 1/107)^{10} = 0.090, total F=1−0.968×0.910=0.12F = 1 - 0.968\times 0.910 = 0.12; perda de aptidão 6×1.2=7 %6\times 1.2 = 7\,\%; um século. 7. Os casais nativo–nativo são (60/70)2=0.73(60/70)^{2} = 0.73 dos acasalamentos e seus filhotes mantêm F≈0.03F \approx 0.03 (mais um pequeno incremento); todos os demais têm F=0F = 0: em média, F≈0.73×0.035=0.026F \approx 0.73\times 0.035 = 0.026, uma queda de um quarto em uma geração. 8. FF é a identidade por descendência dentro de um indivíduo, e qualquer filhote exogâmico o zera; a heterozigosidade é uma propriedade das frequências alélicas, e os alelos dos migrantes só se espalham à medida que são transmitidos. Numa população ainda pequena, a deriva os retirará de novo em dezenas de gerações, de modo que o resgate precisa ser repetido ou a população precisa crescer. 9. Ne=NN_{e} = N com sexos iguais: 500 adultos. De 70 a r=0.05r = 0.05: ln⁡(500/70)/0.05=39\ln(500/70)/0.05 = 39 anos. 10. A população ideal tem tamanhos de família de Poisson, com variância igual à média de dois; Ne=4N/(2+Vk)N_{e} = 4N/(2 + V_{k}), de modo que fazer cada casal contribuir igualmente (Vk=0V_{k} = 0) dá Ne=2NN_{e} = 2N: nenhuma linhagem se perde pela sorte do ninho. 11. Colete e armazene seu sêmen para inseminação artificial e o use em várias fêmeas não aparentadas ao longo dos anos — o custo é que seus alelos poderiam passar a dominar um conjunto pequeno, de modo que sua participação precisa ser limitada perto de 1/Ne1/N_{e}; ou criopreserve tecido para clonagem ou produção de gametas mais tarde, ao custo do atraso e do risco técnico. Não fazer nada perde os alelos da linhagem para sempre. 12. 160 160\, milhões de dólares por umas 430 aves: cerca de 370 000370\,000 por ave. Caro por papagaio, barato contra uma espécie — e menos que uns poucos quilômetros de rodovia, que é a comparação que os orçamentos de fato fazem. 13. (300/2000)0.25=0.62(300/2000)^{0.25} = 0.62: cerca de 112 espécies das 180 mantidas, uma dívida de extinção de 68. 14. Cada fragmento, (100/2000)0.25×180=85(100/2000)^{0.25}\times 180 = 85 espécies. Inteiramente diferentes: até 255, impossível acima do conjunto de 180; idênticas: 85. O que decide é quão diferentes são os hábitats dos fragmentos e quantas espécies conseguem persistir em 100 km2100\,\mathrm{km}^{2}; realisticamente, entre 85 e 112. 15. (320/2000)0.25×180=114(320/2000)^{0.25}\times 180 = 114, contra 85 para três fragmentos isolados idênticos: o corredor permite que a recolonização e o fluxo gênico façam três populações pequenas se comportarem como uma maior. 16. Ne=50N_{e} = 50 com sexos iguais são 25 casais: 1250 km21250\,\mathrm{km}^{2}. Os 300 km2300\,\mathrm{km}^{2} inteiros abrigam seis casais, Ne≈12N_{e} \approx 12; um fragmento, dois. Nenhum basta: o predador se perde qualquer que seja a contagem de espécies, e proteger a área de que ele precisa protege tudo o que é menor — uma espécie guarda-chuva. 17. ln⁡(200/10)/0.03=100\ln(200/10)/0.03 = 100 anos: a dívida é paga ao longo de um século, muito depois de a floresta ter sido cortada. 18. As bordas retiram hábitat de interior de todo fragmento, de modo que a área utilizável é menor que a mapeada e a perda é maior que a lei prevê; uma matriz de vegetação secundária ou de cercas vivas que algumas espécies conseguem usar acrescenta área efetiva e torna a perda menor. 19. r=ln⁡(100/31)/8=0.146 yr−1r = \ln(100/31)/8 = 0.146\,\mathrm{yr}^{-1}; tempo de duplicação ln⁡2/0.146=4.7\ln 2/0.146 = 4.7 anos. 20. N(8)=120/[1+(120/31−1)e−1.17]=120/(1+2.87×0.31)=63N(8) = 120/[1 + (120/31 - 1)\mathrm{e}^{-1.17}] = 120/(1 + 2.87\times 0.31) = 63. Os 100 observados são o próprio valor da exponencial — rr foi ajustado a esses mesmos dois pontos — contra os 63 da logística: nos primeiros anos os lobos não encontraram dependência de densidade — territórios vazios e wapitis abundantes. 21. ln⁡(4000/17 000)/20=−0.072\ln(4000/17\,000)/20 = -0.072: 7 %7\,\% ao ano. Cem lobos tirando 20002000 wapitis por ano de um rebanho de 80008000 em média são um quarto por ano — mais que suficiente para explicar o declínio sozinhos, embora a caça fora do parque, a seca e a predação de filhotes por ursos-pardos o tenham compartilhado. 22. Sessenta indivíduos maduros, abaixo de 250: Criticamente em Perigo. O predador com Ne≈12N_{e} \approx 12 (algumas dezenas de animais): Criticamente em Perigo também. 23. De 3×1093\times 10^{9} a 11 em 44 anos: r=−ln⁡(3×109)/44=−0.50r = -\ln(3\times 10^{9})/44 = -0.50 por ano, caindo à metade a cada dezessete meses. Nenhuma caça remove metade de bilhões todo ano; a queda foi mais lenta no início e muito mais rápida no fim, porque um reprodutor colonial abaixo de uma densidade-limiar para de se reproduzir enquanto seus predadores já não são saturados — o efeito Allee transformou um declínio num colapso. 24. Em 1850 a população estava na casa dos bilhões, sua taxa de crescimento medida era positiva e sua variância, pequena, e uma análise de viabilidade projeta a dinâmica que lhe é dada: ela teria posto o risco em zero. Ela teria deixado passar o forçamento externo — as ferrovias e o telégrafo, que deixaram os caçadores seguir e esvaziar todo dormitório, e o desmatamento — e o limiar de Allee num reprodutor colonial, nenhum dos quais está na demografia de uma espécie abundante; uma AVP extrapola, e as causas da extinção costumam ser novas. 25. Ne≈53N_{e} \approx 53 hoje; F≈0.12F \approx 0.12 após mais dez gerações com 60 (7 %7\,\% da aptidão); a floresta encolhida mantém cerca de 62 %62\,\% de suas espécies.

Termos definidos neste capítulo

Ver todos os 479 termos do glossário