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Quali sono i fattori limitanti della resistenza umana?


Quali sono i fattori limitanti della resistenza (umana)? Definiamo la resistenza come la capacità di continuare a svolgere un'attività fisica. Abbiamo chiaramente i nostri limiti, quindi quali aspetti della fisiologia impongono un limite allo sforzo fisico umano? In che modo questi aspetti lavorano insieme e interagiscono?

Non sono necessari grandi dettagli, ma una panoramica concisa è ciò che sto cercando.


Alcune spiegazioni a livello cellulare e molecolare:

Innanzitutto, affinché avvenga la contrazione, i muscoli hanno bisogno di segnali dai nervi. Rifornire il pool di neurotrasmettitori (usato per ogni burst sinaptico) richiede un po' di tempo e a questo livello può verificarsi un esaurimento a breve termine.

Nelle cellule muscolari, la contrazione è causata da a rilascio di calcio all'interno della cellula, da un compartimento cellulare chiamato reticolo sarcoplasmatico. Questo reticolo può contenere solo così tanti ioni, quindi se il muscolo si contrae molto, alla fine avrà bisogno di riposare per un po' per riaccumulare calcio nel reticolo sarcoplasmatico per prepararsi a più contrazioni.

I muscoli hanno bisogno "combustibile" molecolare (come le molecole di ATP) per contrarsi/rilassarsi. Dopo uno sforzo intenso o prolungato, queste molecole vengono parzialmente consumate e il muscolo semplicemente esaurisce le energie; ci vuole un po' di tempo per ripristinare il pool di metaboliti necessari per funzionare correttamente. Al contrario, la contrazione muscolare provoca anche l'accumulo di metaboliti e ioni come il potassio, che inibiscono parzialmente la contrazione muscolare. La fatica si verifica quando questi si accumulano ad alto livello e devono essere eliminati prima di fare nuovi sforzi.

Per i riferimenti vedere:

  • https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5668469/ doi:10.1038/emm.2017.194 (recensione generale)
  • https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5033663/ doi:10.1249/MSS.0000000000000923 (si concentra maggiormente sulle relazioni muscolo-neurone)
  • https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9232550 Green, J Sports Sci. 1997 giugno;15(3):247-56. (a scala cellulare)
  • https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7715628 Williams & Klug, Muscle Nerve. 1995 aprile;18(4):421-34.(più focalizzato sul calcio)

Quali sono i fattori limitanti della resistenza umana? - Biologia

PARTE IV. EVOLUZIONE ED ECOLOGIA

17. Ecologia della popolazione

17.7. Fattori limitanti alla crescita della popolazione umana

Oggi sentiamo opinioni diverse sullo stato della popolazione umana nel mondo. Da un lato sentiamo che la popolazione sta crescendo rapidamente. Al contrario, sentiamo che alcuni paesi temono che le loro popolazioni si stiano riducendo. Altri paesi sono preoccupati per l'invecchiamento della loro popolazione, perché i tassi di natalità e mortalità sono bassi. Nelle riviste e in televisione vediamo che nel mondo ci sono persone che muoiono di fame. Allo stesso tempo, ascoltiamo discussioni sul problema delle eccedenze alimentari e dell'obesità in molti paesi. Alcuni hanno persino affermato che il problema più importante nel mondo di oggi è il ritmo con cui la popolazione umana sta crescendo. Altri sostengono che la popolazione in crescita fornirà mercati per le merci e sarà un vantaggio economico. Come riconciliare questa massa di informazioni contrastanti?

È importante rendersi conto che le popolazioni umane seguono gli stessi modelli di crescita e sono influenzate dagli stessi tipi di fattori limitanti delle popolazioni di altri organismi. La crescita della popolazione umana nelle ultime migliaia di anni segue uno schema che ricorda le fasi di ritardo e di crescita esponenziale di una curva di crescita della popolazione. Si stima che la popolazione umana sia rimasta bassa e costante per migliaia di anni, ma sia aumentata rapidamente nelle ultime centinaia di anni (figura 17.14). Ad esempio, è stato stimato che prima della scoperta europea, la popolazione dei nativi americani era pari o vicina alla sua capacità di carico. Sebbene sia impossibile conoscere la popolazione dei nativi americani in quel momento, vari esperti stimano che fosse compresa tra 1 milione e 18 milioni. Oggi la popolazione degli Stati Uniti è di quasi 310 milioni di persone. Questo significa che gli esseri umani sono diversi dalle altre specie animali? La popolazione umana può continuare a crescere per sempre?

FIGURA 17.14. Crescita della popolazione umana

Il numero di esseri umani è raddoppiato da d.C. 1800-1930 (da 1 miliardo a 2 miliardi), è raddoppiato di nuovo nel 1975 (4 miliardi) e si prevede che raddoppierà ancora (8 miliardi) entro il 2025 circa. Per quanto tempo la popolazione umana continuerà a raddoppiare prima del trasporto definitivo della Terra? la capacità è raggiunta?

La specie umana ha un limite superiore fissato dalla capacità di carico dell'ambiente, come qualsiasi altra specie. Tuttavia, la popolazione umana è stata in grado di aumentare in modo astronomico perché i cambiamenti tecnologici e lo spostamento di altre specie ci hanno permesso di spostare verso l'alto la capacità di carico. Gran parte della fase di crescita esponenziale della popolazione umana può essere attribuita al miglioramento dei servizi igienico-sanitari, al controllo delle malattie infettive, al miglioramento dei metodi agricoli e alla sostituzione degli ecosistemi naturali con ecosistemi agricoli artificiali. Ma anche queste condizioni hanno i loro limiti. Alcuni fattori limitanti alla fine causeranno un livellamento della nostra curva di crescita della popolazione. Non possiamo aumentare oltre la nostra capacità di ottenere materie prime ed energia, né possiamo ignorare i prodotti di scarto che produciamo e gli altri organismi con cui interagiamo.

Disponibilità di materie prime

Per molti di noi, le materie prime consistono semplicemente nella quantità di cibo disponibile, ma non dobbiamo dimenticare che, in una società tecnologica, anche il minerale di ferro, il legname, l'acqua di irrigazione e i frammenti di silicio sono materie prime. Tuttavia, la maggior parte delle persone nel mondo ha bisogni molto più basilari. Negli ultimi decenni, ampie porzioni della popolazione mondiale non hanno avuto cibo a sufficienza (figura 17.15). Sebbene sia biologicamente corretto dire che il mondo può attualmente produrre cibo a sufficienza per tutti, ci sono complesse questioni politiche, economiche e sociali legate alla produzione e distribuzione di cibo. Probabilmente il più importante è il fatto che il trasporto di cibo dai centri dell'eccesso ai centri del bisogno è spesso molto difficile e costoso. Le società con cibo in eccesso non sono state disposte a colmare queste lacune politiche ed economiche.

FIGURA 17.15. Il cibo è una materia prima

Tuttavia, una domanda più fondamentale è se il mondo può continuare a produrre cibo a sufficienza. Nel 2010 la popolazione mondiale cresceva a un tasso dell'1,2% annuo. Ciò equivale a circa 150 nuove persone aggiunte alla popolazione ogni minuto. Ciò comporterebbe un aumento dalla nostra attuale popolazione di quasi 6,9 miliardi a circa 9,5 miliardi entro il 2050. Con un continuo aumento del numero di bocche da sfamare, è improbabile che la produzione alimentare sarà in grado di tenere il passo con la crescita della popolazione umana. popolazione (Come funziona la scienza 17.1).

Un indicatore primario dello stato della situazione alimentare mondiale è la quantità di grano prodotta per ogni persona nel mondo (produzione di grano pro capite). La produzione mondiale di cereali pro capite ha raggiunto il picco nel 1984.

Thomas Malthus e il suo saggio sulla popolazione

Nel 1798, Thomas Robert Malthus, un inglese, pubblicò un saggio sulla popolazione umana, presentando un'idea contraria all'opinione popolare. La sua tesi di fondo era che la popolazione umana aumentava in maniera geometrica, o esponenziale, (2, 4, 8, 16, 32, 64, ecc.), mentre la capacità di produrre cibo aumentava solo in modo aritmetico (1, 2 , 3, 4, 5, 6, ecc.). Il risultato finale di questi diversi tassi sarebbe che la popolazione supererebbe la capacità della terra di produrre cibo.

Concluse che guerre, carestie, pestilenze e disastri naturali sarebbero stati i mezzi (fattori limitanti) per controllare le dimensioni della popolazione umana. Le sue previsioni furono oggetto di accesi dibattiti dalla comunità intellettuale del suo tempo, e le sue ipotesi e conclusioni furono attaccate come errate e contro il miglior interesse della società. All'epoca in cui scrisse il saggio, l'opinione popolare era che la conoscenza umana e il "vincolo morale" sarebbero stati in grado di creare un mondo che avrebbe soddisfatto in abbondanza tutti i bisogni umani. Uno dei postulati di base di Malthus era che il "commercio tra i sessi" (rapporto sessuale) sarebbe continuato invariato. Altri filosofi dell'epoca credevano che il comportamento sessuale avrebbe assunto forme meno procreative e che la popolazione umana sarebbe stata limitata. Solo negli ultimi 50 anni, tuttavia, efficaci meccanismi di controllo del concepimento sono stati ampiamente accettati e utilizzati. Tuttavia, ancora oggi vengono utilizzati principalmente nei paesi più sviluppati del mondo.

Malthus non prevedeva l'uso della contraccezione, grandi cambiamenti nelle tecniche di produzione agricola o l'esportazione di persone in eccesso nelle colonie nelle Americhe. Questi fattori, così come gli alti tassi di mortalità, hanno impedito che la più devastante delle sue previsioni si avverasse. Tuttavia, in molte parti del mondo, le persone stanno sperimentando le forme di controllo della popolazione (carestie, malattie epidemiche, guerre e disastri naturali) che Malthus predicò nel 1798. Molte persone credono che le sue previsioni originali fossero valide: solo la sua scala temporale era non è corretto e che le sue previsioni si stanno avverando oggi.

Un altro importante impatto del saggio di Malthus fu il suo effetto sul giovane Charles Darwin. Quando Darwin lo lesse, vide che ciò che era vero per la popolazione umana poteva essere applicato all'intero regno vegetale e animale. Man mano che si verificava un'eccessiva riproduzione, ci sarebbe una maggiore competizione per il cibo, con conseguente morte degli organismi meno adatti. Questa era una parte importante della sua teoria della selezione naturale.

La disponibilità di energia colpisce anche le popolazioni umane. Tutte le specie sulla Terra dipendono in ultima analisi dalla luce solare per l'energia. Tutta l'energia, che si tratti di energia da una diga idroelettrica, combustibili fossili o celle solari, deriva dal sole. L'energia è necessaria per i trasporti, la costruzione e la manutenzione delle case e la produzione alimentare. È molto difficile sviluppare stime imparziali e ragionevolmente accurate delle riserve energetiche globali sotto forma di petrolio, gas naturale e carbone. Pertanto, è difficile prevedere quanto tempo potrebbero durare queste riserve. Tuttavia, le quantità sono limitate e il tasso di utilizzo è in aumento (figura 17.16).

FIGURA 17.16. Uso dell'energia da parte dell'uomo

Se i paesi meno sviluppati dovessero raggiungere uno standard di vita pari a quello delle nazioni sviluppate, le riserve energetiche globali scomparirebbero da un giorno all'altro. Le persone dovrebbero rendersi conto che c'è un limite alle nostre risorse energetiche, viviamo con l'energia solare che è stata immagazzinata per milioni di anni e la stiamo usando a un ritmo che potrebbe esaurirla in centinaia di anni.

Uno degli aspetti più discussi dell'attività umana è il problema dello smaltimento dei rifiuti. Abbiamo normali rifiuti biologici, che possono essere trattati da organismi decompositori. Tuttavia, generiamo anche una varietà di rifiuti e sottoprodotti tecnologici che non possono essere degradati in modo efficiente dai decompositori (figura 17.17). La maggior parte di ciò che chiamiamo inquinamento deriva dai prodotti di scarto della tecnologia. I rifiuti biologici di solito possono essere trattati in modo abbastanza efficiente costruendo impianti di trattamento delle acque reflue e altre strutture fognarie. Certamente, queste strutture richiedono energia per funzionare, ma si affidano a decompositori per degradare la materia organica indesiderata in anidride carbonica e acqua. All'inizio di questo capitolo, abbiamo discusso i problemi che gli organismi d'acquario devono affrontare quando si accumulano i loro prodotti di scarto metabolici. In questa situazione, gli organismi "sporcano il loro nido" così tanto che i loro rifiuti li avvelenano. Gli umani si trovano in una situazione simile su scala molto più ampia? Stiamo scaricando così tanti rifiuti tecnologici, molti dei quali tossici, nell'ambiente che veniamo avvelenati? L'anidride carbonica prodotta dalla combustione di combustibili fossili sta cambiando il nostro clima?

FIGURA 17.17. Produzione di rifiuti umani

Interazioni con altri organismi

Gli esseri umani interagiscono con altri organismi in tanti modi come fanno gli altri animali. Abbiamo parassiti e, occasionalmente, predatori. Siamo predatori in relazione a una varietà di animali, sia domestici che selvatici. Abbiamo relazioni mutualistiche con molte delle nostre piante e animali domestici, perché non potrebbero sopravvivere senza le nostre pratiche agricole, e noi non sopravviveremmo senza il cibo che forniscono. Anche la concorrenza è molto importante. Insetti e roditori competono per il cibo che alleviamo e competiamo direttamente con molti altri tipi di animali per l'uso degli ecosistemi.

Man mano che gli esseri umani convertono sempre più terra all'agricoltura e ad altri scopi, molti altri organismi vengono spostati (figura 17.18). Molti di questi organismi sfollati non sono in grado di competere con successo e devono lasciare l'area, ridurre le loro popolazioni o estinguersi. Il bisonte americano (bufalo), l'elefante africano e asiatico, il panda e l'orso grizzly sono alcune specie che hanno ridotto le popolazioni perché non erano in grado di competere con successo con la specie umana. Il piccione viaggiatore, il parrocchetto della Carolina e l'alca impenne sono alcuni che si sono estinti. I nostri parchi e le nostre aree naturali sono diventati minuscoli rifugi per piante e animali che un tempo occupavano vaste distese del mondo. Se questi rifugi andranno perduti, molti organismi si estingueranno. Quello che oggi potrebbe sembrare un organismo insignificante, domani potrebbe essere visto come un legame con la nostra stessa sopravvivenza. Noi esseri umani abbiamo avuto un enorme successo nei nostri sforzi per convertire gli ecosistemi ai nostri usi a spese di altre specie.

FIGURA 17.18. Interazione con altri organismi

La concorrenza tra loro (competizione intraspecifica), tuttavia, è una questione diversa. Poiché la competizione è negativa per entrambi gli organismi, la competizione tra umani danneggia gli umani. Non stiamo soppiantando un'altra specie, stiamo sostituendo la nostra stessa specie. Certamente, quando le risorse scarseggiano, c'è concorrenza. Sfortunatamente, di solito sono i giovani che sono meno in grado di competere e il risultato è un'elevata mortalità infantile.

18. Poiché la popolazione umana continua a crescere, cosa dovremmo aspettarci che accada alle altre specie?

19. Come si confronta la forma della curva di crescita della popolazione degli esseri umani con quella di altri tipi di animali?

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Fattori limitanti

Un coniglio può allevare fino a sette cucciolate all'anno. Allora perché non siamo invasi dai conigli? In natura, i fattori limitanti agiscono sulle popolazioni per tenerle sotto controllo.

Conigli nel campo

Coniglie silvilago femmina (Sylvilagus floridanus) sono particolarmente fertili, in grado di dare alla luce sette cucciolate all'anno. Anche se questo suggerirebbe che le aree con i conigli silvilago sarebbero invase da loro, ma non è così. Le popolazioni di conigli sono limitate da tratti come la disponibilità di cibo e la predazione.

Fotografia di Thai Yuan Lim/EyeEm

Una femmina di coniglio silvilago (Sylvilagus floridanus) può partorire fino a sette volte l'anno. Una femmina di rospo americano (Anaxyrus americanus) può deporre migliaia di uova ogni primavera. Allora perché i prati e le foreste degli Stati Uniti orientali non pullulano letteralmente di conigli e rospi? In natura, la dimensione di una popolazione e il tasso di crescita della popolazione sono influenzati da quelli che gli ecologi chiamano "fattori limitanti".

Portalo al limite

Pensa a tutte le diverse risorse di cui hanno bisogno due animali comuni per sopravvivere. I conigli dal silvilago hanno bisogno di cibo da mangiare (erbe e altre piante), acqua da bere e un posto sicuro dove allevare i loro piccoli. I rospi americani mangiano insetti e, sebbene vivano spesso in habitat forestali, hanno bisogno di stagni o pozzanghere per deporre le uova. Sia i rospi che i conigli devono fare attenzione ai predatori. Ma anche se evitano un falco o un serpente affamato, affrontano altri pericoli potenzialmente mortali, tra cui malattie, incendi boschivi o siccità.

Ognuno di questi fattori (cibo, riparo, siti di riproduzione, predatori e altro) può servire a limitare la crescita di una popolazione di conigli o rospi. Spesso la popolazione è influenzata da diversi fattori limitanti che agiscono insieme.

La densità è importante, a meno che non sia così

I fattori limitanti si dividono in due grandi categorie: fattori dipendenti dalla densità e fattori indipendenti dalla densità. Questi nomi significano proprio quello che dicono: i fattori indipendenti dalla densità hanno un impatto sulla popolazione, sia essa grande o piccola, in crescita o in diminuzione. Ad esempio, un incendio che attraversa una fitta foresta nelle Everglades ha un grande impatto su ogni popolazione della comunità, indipendentemente dalla densità di una popolazione.

Wildfire è abiotico (non vivente) e la maggior parte dei fattori limitanti indipendenti dalla densità rientrano in questa categoria. Altri fattori indipendenti dalla densità includono uragani, inquinanti ed estremi climatici stagionali.

I fattori limitanti dipendenti dalla densità tendono ad essere biotici e hanno a che fare con gli organismi viventi. La competizione e la predazione sono due importanti esempi di fattori dipendenti dalla densità.

Cince di montagna (Parus gambeli) competono per un tipo speciale di sito di nidificazione e buche di mdashtree. Queste piccole cavità vengono scavate e poi abbandonate dai picchi. Gli scienziati che hanno aggiunto nuovi siti di nidificazione in una distesa di foresta hanno visto aumentare significativamente la popolazione nidificante delle cince, suggerendo che i siti di nidificazione sono un fattore limitante dipendente dalla densità.

Un piccolo roditore peloso trovato nella Groenlandia orientale chiamato lemming dal collare (Dicrostonyx groenlandicus) è un buon esempio di come la predazione possa essere un fattore limitante dipendente dalla densità. La popolazione attraversa un ciclo di espansione e contrazione ogni quattro anni. La popolazione dei lemming cresce fino a 1.000 volte la sua dimensione iniziale, poi crolla.

La causa è l'ermellino (Mustela erminea), un tipo di donnola che caccia e si nutre quasi esclusivamente di lemming. Gli ermellini non si riproducono velocemente come i lemming, quindi dopo un incidente, quando il numero di ermellini e lemming è basso, gli ermellini non hanno molto impatto sulla popolazione dei lemming. Ma entro il quarto anno, dopo che la popolazione di ermellini ha avuto il tempo di crescere fino a raggiungere un numero maggiore, gli ermellini, insieme ad altri predatori, provocano un altro crollo dei lemming e il ciclo continua.

Se una popolazione è piccola e le risorse sono abbondanti, una popolazione può crescere rapidamente. Ma nel tempo, a causa di fattori limitanti, la crescita della popolazione tende a rallentare e poi a fermarsi. La popolazione ha raggiunto la "capacità portante" dell'ecosistema.


Fattori metabolici che limitano le prestazioni nei maratoneti

Ogni anno, negli ultimi tre decenni, centinaia di migliaia di corridori si sono iscritti per correre una grande maratona. Di coloro che tentano di correre sulla distanza della maratona di 26 miglia e 385 iarde (42,195 chilometri), più di due quinti sperimentano un grave e limitante esaurimento delle riserve fisiologiche di carboidrati (un fenomeno noto come "colpire il muro") e migliaia abbandonano prima di arrivare al traguardo (circa l'1-2% di quelli che partono). Le analisi della fisiologia della resistenza hanno spesso utilizzato approssimazioni grossolane per suggerire che le riserve di glicogeno umano sono insufficienti per alimentare una maratona (facendo sembrare inevitabile "colpire il muro") o implicare che è necessario il massimo carico di glicogeno per completare una maratona senza "colpire il muro". il muro.' Il presente studio computazionale dimostra che i vincoli energetici sui corridori di resistenza sono più sottili e dipendono da diverse variabili fisiologiche tra cui la distribuzione della massa muscolare, le densità di glicogeno epatico e muscolare e la velocità di corsa (intensità dell'esercizio come frazione della capacità aerobica) dei singoli corridori , in modi personalizzati ma comunque quantificabili e prevedibili. L'approccio analitico presentato qui viene utilizzato per stimare la distanza alla quale i corridori esauriranno le proprie riserve di glicogeno in funzione dell'intensità della corsa. In tal modo fornisce anche una base per le linee guida che garantiscono la sicurezza e l'ottimizzazione delle prestazioni dei corridori di resistenza, sia impostando ritmi personali appropriati sia prescrivendo requisiti di rifornimento a metà gara per evitare "il muro". La presente analisi getta anche luce fisiologicamente di principio su importanti standard nella corsa alla maratona che fino ad ora sono rimasti empiricamente definiti: i tempi di qualificazione per la maratona di Boston.

Dichiarazione di conflitto di interessi

L'autore ha dichiarato che non esistono interessi concorrenti.

Cifre

Figura 1. Uso relativo di grassi e...

Figura 1. L'uso relativo di grassi e carboidrati come combustibili metabolici dipende dall'intensità dell'esercizio.

Utilizzo frazionario di carboidrati (glucosio plasmatico più glicogeno muscolare, curva blu piena, ) e grasso (acidi grassi liberi plasmatici più trigliceridi muscolari, curva piena rossa, ) sono mostrati come funzioni dell'intensità relativa dell'esercizio, . (Sulla base del lavoro di Romijn e colleghi: i punti tracciati corrispondono ai punti dati dello studio del 1993 e le barre di errore corrispondenti sono calcolate come descritto nella sezione Metodi.)

Figura 2. Quando la capacità di stoccaggio del glicogeno...

Figura 2. Quando la capacità di stoccaggio del glicogeno limita la velocità massima della maratona?

Approssimazioni calcolate del totale...

Approssimazioni calcolate dell'energia totale consumata sotto forma di carboidrati nel corso di una maratona, in funzione della velocità di corsa, in corridori con diverse capacità aerobiche. Ogni linea colorata corrisponde ad un particolare valore di capacità aerobica, , in termini di millilitri di ossigeno per chilogrammo di massa corporea al minuto, come etichettato (arancione scuro, 35 arancio, 40 giallo, 45 giallo chiaro, 50 verde chiaro, 55 verde, 60 acqua, 65 azzurro chiaro, 70 blu, 75 viola, 80 Viola, 85 Magenta, 90 Rosso, ). La scala verticale è espressa in termini di chilocalorie di energia consumata per chilogrammo di massa corporea su 42,195 km (26 miglia e 385 iarde), la lunghezza di una maratona il corrispondente consumo energetico totale per corridori di varie masse è mostrato lungo le linee di tendenza orizzontali , sotto i valori della massa corporea etichettati lungo il bordo superiore del grafico. La velocità di corsa è espressa in chilometri orari lungo l'asse orizzontale inferiore e come tempo totale per completare una maratona alla velocità corrispondente lungo l'asse orizzontale superiore. Le linee rosse orizzontali tratteggiate mostrano la capacità massima stimata di accumulo di energia nei corridori con fegati e muscoli carichi di glicogeno al massimo in uno stato di massima supercompensazione del glicogeno (144 kcal di glicogeno per chilogrammo di muscolo della gamba), per i quali i muscoli delle gambe che alimentano la corsa costituiscono le percentuali indicate della massa corporea totale (asse verticale destro). La regione ombreggiata indica la gamma di capacità di accumulo di energia sopranormali disponibili per un tipico corridore maschio, i cui muscoli delle gambe costituiscono circa il 21,4% della sua massa corporea totale i confini della regione ombreggiata corrispondono ai valori tipici e massimi della densità di glicogeno muscolare per atleti di resistenza allenati (80 e 144 kcal di glicogeno per chilogrammo di muscolo della gamba, rispettivamente). Vedere il testo per una spiegazione dettagliata.

Figura 3. Distanza dal "muro" per...

Figura 3. Distanza dal "muro" per i corridori di resistenza.

Gli atleti a distanza calcolata possono correre prima...

Gli atleti a distanza calcolata possono correre prima di esaurire completamente le riserve di glicogeno ("colpire il muro"), in funzione dell'intensità della corsa (espressa come percentuale di ), massa muscolare relativa delle gambe (massa muscolare delle gambe come frazione della massa corporea totale) e densità del glicogeno muscolare. La distanza che un atleta può percorrere prima di "colpire il muro" diminuisce con l'aumentare dei livelli di sforzo e, come indica la regione rettangolare ombreggiata etichettata come "Colpiterà il muro", se questa distanza è inferiore a 42,195 chilometri (26 miglia e 385 iarde ) allora il corridore non sarà in grado di completare una maratona senza subire un completo esaurimento del glicogeno (almeno non senza fare rifornimento a metà gara). Ogni curva colorata corrisponde a una particolare densità di glicogeno muscolare, come indicato (rosso, 40 arancione, 60 giallo, 80 verde, 100 blu, 120 viola, ). Le curve colorate corrispondono ciascuna ad atleti i cui muscoli delle gambe costituiscono il 21,4% della massa corporea totale e sono caricati con glicogeno ad una densità particolare (la massa epatica relativa è stata assunta costante al 2,5% della massa corporea totale e la densità del glicogeno epatico è stata ipotizzata massimizzata a ) una regione ombreggiata attorno a ciascuna curva colorata riempie la regione corrispondente alle masse muscolari relative delle gambe dal 15% al ​​25% di massa corporea totale. L'ombreggiatura più scura indica regioni sovrapposte e distanze di guasto identiche per diversi set di parametri fisici: L'area di ombreggiatura più densa si trova a cavallo della linea di 21 miglia per gli atleti che corrono a intensità dall'80% al 95% , indicando che molte diverse corporature atletiche e livelli di carico di glicogeno sono soggetti a cedimenti a queste intensità intorno al miglio 21, che è stato empiricamente identificato come la distanza alla quale i maratoneti più comunemente "colpiscono il muro". colpisci il muro prima del miglio 11 o quando corri una maratona a meno del 55% .

Figura 4. Stima della capacità aerobica di...

Figura 4. Stima della capacità aerobica di un corridore tipico.

approssimazioni calcolate di (in termini…

approssimazioni calcolate di (in termini di millilitri di ossigeno al minuto per chilogrammo di massa corporea), in funzione della frazione stimata della frequenza cardiaca massima durante la corsa a una data velocità, sono mostrati come una serie di curve colorate. Ogni linea corrisponde a una particolare velocità di marcia (arancione, 4 mph () Verde chiaro, 5 mph () Verde, 6 mph () Verde scuro, 7 mph () Azzurro, 8 mph () Blu, 9 mph () Blu scuro, 10 mph () Viola, 11 mph () Magenta, 12 mph () Rosso, 13 mph ()). Vedere il testo per una spiegazione dettagliata.

Che cos'è un fattore limitante? (con foto)

Un fattore limitante si riferisce a qualsiasi condizione richiesta da una specie che diventa insufficiente o assente in un habitat. Quando particolari bisogni non vengono soddisfatti, gli individui della popolazione iniziano a morire o la fertilità viene inibita. Alcuni esempi comuni di fattori limitanti sono cibo, acqua, predazione o loro mancanza, acqua, riparo, gas come ossigeno e composti chimici organici. In alcuni casi, un fattore limitante può riferirsi ad una condizione troppo abbondante come l'eccessiva luce solare per una particolare specie di pianta. Funziona come un controllo che impedisce la crescita incontrollata di una popolazione o può causare il declino e la scomparsa di una popolazione da un habitat.

Il più delle volte, un fattore limitante è vantaggioso per un ecosistema. Ad esempio, uno che controlla una specie, come un predatore, può a sua volta avvantaggiarne un'altra come la sua preda. Se le specie predatrici non fossero controllate, le specie preda diventerebbero gravemente impoverite. Inoltre, il successo delle specie predatrici alla fine si tradurrebbe nella loro sovrappopolazione che alla fine si tradurrebbe in una serie di fattori limitanti per quel gruppo. Lo abbiamo visto nel caso della caccia eccessiva in cui le persone erano responsabili dell'estinzione dell'uccello dodo e di altri animali.

A volte, una specie predatrice non è controllata da un fattore limitante e come tale diventa una tale condizione per un'altra specie. Allo stesso modo, la mancanza di predatori in un'abitudine può limitare una specie. Entrambi i casi sono particolarmente veri nel caso di specie introdotte o invasive. Una specie invasiva che non ha prede naturali può stabilire rapidamente grandi popolazioni che si traducono in competizione con specie autoctone per cibo e habitat.

Ad esempio, nel nord-est degli Stati Uniti, le persone sono diventate un fattore limitante estremo per quanto riguarda i lupi nativi. Una delle prede native dei lupi è il cervo la cui popolazione è cresciuta a causa della scomparsa del loro predatore. La mancanza di predazione diventa un fattore limitante perché la loro crescita incontrollata della popolazione si traduce in fattori aggiuntivi come la scarsità di cibo e le malattie. Inoltre, le persone hanno avuto problemi con la sovrappopolazione quando i cervi legati alla strada diventano un pericolo per la guida o un parassita del giardino.


Contenuti

Questo è stato originariamente applicato alla crescita delle piante o delle colture, dove si è scoperto che aumentare la quantità di nutrienti abbondanti non aumentava la crescita delle piante. Solo aumentando la quantità del nutriente limitante (quello più scarso in relazione al "bisogno") si migliorava la crescita di una pianta o di una coltura. Questo principio può essere riassunto nell'aforisma: "La disponibilità del nutriente più abbondante nel suolo è buona quanto la disponibilità del nutriente meno abbondante nel suolo". O, per dirla più chiaramente, "Una catena è forte solo quanto il suo anello più debole". Sebbene la diagnosi dei fattori limitanti la resa delle colture sia uno studio comune, l'approccio è stato criticato. [1]

Applicazioni scientifiche Modifica

La legge di Liebig è stata estesa alle popolazioni biologiche (ed è comunemente usata nella modellazione degli ecosistemi). Ad esempio, la crescita di un organismo come una pianta può dipendere da una serie di fattori diversi, come la luce solare o i nutrienti minerali (ad esempio, nitrati o fosfati). La disponibilità di questi può variare, in modo tale che in un dato momento uno è più limitante degli altri. La legge di Liebig afferma che la crescita avviene solo al tasso consentito dal fattore più limitante. [2]

L'uso dell'equazione è limitato a una situazione in cui vi sono condizioni ceteris paribus di stato stazionario e le interazioni dei fattori sono strettamente controllate.

Nutrizione proteica Modifica

Nell'alimentazione umana, la legge del minimo è stata utilizzata da William Cumming Rose per determinare gli amminoacidi essenziali. Nel 1931 pubblicò il suo studio "Esperimenti di alimentazione con miscele di amminoacidi altamente raffinati". [3] La conoscenza degli amminoacidi essenziali ha permesso ai vegetariani di migliorare la loro nutrizione proteica combinando proteine ​​da varie fonti vegetali. Un praticante era Nevin S. Scrimshaw che combatteva la carenza di proteine ​​in India e Guatemala. Francis Moore Lappe pubblicato Dieta per un piccolo pianeta nel 1971 che ha reso popolare la combinazione di proteine ​​usando cereali, legumi e latticini.

Altre applicazioni Modifica

Più di recente, la legge di Liebig sta iniziando a trovare un'applicazione nella gestione delle risorse naturali, dove presuppone che la crescita nei mercati dipendenti dagli input delle risorse naturali sia limitata dall'input più limitato. Poiché il capitale naturale da cui dipende la crescita è limitato nell'offerta a causa della natura finita del pianeta, la legge di Liebig incoraggia gli scienziati e i gestori delle risorse naturali a calcolare la scarsità di risorse essenziali al fine di consentire un approccio multigenerazionale al consumo delle risorse.

La teoria economica neoclassica ha cercato di confutare il problema della scarsità di risorse applicando la legge della sostituibilità e dell'innovazione tecnologica. La "legge" di sostituibilità afferma che quando una risorsa è esaurita - ei prezzi aumentano per mancanza di surplus - nuovi mercati basati su risorse alternative appaiono a determinati prezzi per soddisfare la domanda. L'innovazione tecnologica implica che gli esseri umani siano in grado di utilizzare la tecnologia per colmare le lacune in situazioni in cui le risorse sono imperfettamente sostituibili.

Una teoria basata sul mercato dipende da un prezzo adeguato. Laddove non si tiene conto di risorse come aria pulita e acqua, si verificherà un "fallimento del mercato". Questi fallimenti possono essere affrontati con tasse e sussidi pigoviani, come una tassa sul carbonio. Mentre la teoria della legge della sostituibilità è un'utile regola pratica, alcune risorse possono essere così fondamentali che non esistono sostituti. Ad esempio, Isaac Asimov ha osservato: "Potremmo essere in grado di sostituire l'energia nucleare con l'energia a carbone e la plastica per il legno. Ma per il fosforo non c'è né sostituto né sostituzione". [4]

Laddove non esistono sostituti, come il fosforo, sarà necessario il riciclaggio. Ciò potrebbe richiedere un'attenta pianificazione a lungo termine e un intervento governativo, in parte per creare tasse pigoviane per consentire un'allocazione efficiente delle risorse sul mercato, in parte per affrontare altri fallimenti del mercato come l'eccessivo sconto temporale.

Dobenecks [5] ha usato l'immagine di un barile - spesso chiamato "barile di Liebig" - per spiegare la legge di Liebig. Proprio come la capacità di un barile con doghe di lunghezza disuguale è limitata dalla doga più corta, così la crescita di una pianta è limitata dal nutriente in quantità minore.

Se un sistema soddisfa la legge del minimo, l'adattamento equalizzerà il carico di diversi fattori perché la risorsa di adattamento sarà assegnata per la compensazione della limitazione. [6] I sistemi di adattamento fungono da bottaio della canna di Liebig e allungano la doga più corta per migliorare la capacità della canna. In effetti, in sistemi ben adattati, il fattore limitante dovrebbe essere compensato il più possibile. Questa osservazione segue il concetto di competizione delle risorse e massimizzazione del fitness. [7]

A causa della legge dei paradossi minimi, se osserviamo la legge del minimo nei sistemi artificiali, in condizioni naturali l'adattamento eguaglierà il carico di diversi fattori e possiamo aspettarci una violazione della legge del minimo. Inversamente, se i sistemi artificiali dimostrano una violazione significativa della legge del minimo, allora possiamo aspettarci che in condizioni naturali l'adattamento compensi questa violazione. In un sistema limitato la vita si adatterà come evoluzione di ciò che è venuto prima. [6]

Un esempio di innovazione tecnologica è nella genetica vegetale per cui le caratteristiche biologiche delle specie possono essere modificate impiegando modifiche genetiche per alterare la dipendenza biologica dalla risorsa più limitante. Le innovazioni biotecnologiche sono quindi in grado di estendere i limiti per la crescita delle specie in modo incrementale fino a stabilire un nuovo fattore limitante, che può quindi essere sfidato attraverso l'innovazione tecnologica.

In teoria non c'è limite al numero di possibili incrementi verso un limite di produttività sconosciuto. [8] Questo sarebbe il punto in cui l'incremento da anticipare è così piccolo da non essere giustificabile economicamente o dove la tecnologia incontra una barriera naturale invulnerabile. Può valere la pena aggiungere che la stessa biotecnologia dipende totalmente da fonti esterne di capitale naturale.


Quali sono i fattori limitanti della resistenza umana? - Biologia

PARTE IV. EVOLUZIONE ED ECOLOGIA

17. Ecologia della popolazione

17.8. Il controllo della popolazione umana: un problema sociale

Gli esseri umani sono diversi dalla maggior parte degli altri organismi in un modo fondamentale: siamo in grado di prevedere l'esito di un determinato corso d'azione. Le attuali tecnologie e conoscenze mediche sono disponibili per controllare la popolazione umana e migliorare la salute e il benessere delle persone nel mondo. Perché, allora, la popolazione umana continua a crescere, provocando sofferenze umane e stressando l'ambiente in cui viviamo? Poiché siamo animali sociali con libertà di scelta, spesso non facciamo ciò che è considerato meglio da un punto di vista biologico, disinteressato. Le persone prendono decisioni basate su considerazioni storiche, sociali, culturali, etiche e personali. Per controllare la popolazione umana, gli individui potrebbero aver bisogno di mettere da parte alcuni dei loro desideri e desideri.

I maggiori problemi associati al controllo della popolazione umana non sono problemi biologici, ma richiedono gli sforzi di filosofi, teologi, politici e sociologi. Con l'aumento della popolazione, anche i problemi politici, sociali e biologici diminuiscono la libertà individuale, l'intensa competizione per le risorse si intensifica e la fame e la fame diventano più comuni. La conoscenza e la tecnologia necessarie per controllare la popolazione umana sono disponibili, ma non la volontà. Cosa alla fine limiterà la dimensione della nostra popolazione? Will it be lack of resources, lack of energy, accumulated waste products, competition among ourselves, or rational planning of family size?

Studies of the changes in the population growth rates of various countries indicated that a major factor in determining the size of families is the educational status of women. Regardless of other cultural differences, as girls and women become educated, they have fewer children. Several reasons have been suggested for this trend. Higher levels of education enable women to get jobs with higher pay, which makes them less dependent on males for their support. Being able to read may lead to better comprehension of how methods of birth control work. Regardless of the reasons, increasing the educational levels of women has become a major technique used by rapidly growing countries that hope to control their populations.

20. How does human population growth differ from the population growth of other kinds of organisms?

21. What forces will ultimately lead to the control of human population growth?

A population is a group of organisms of the same species in a particular place at a particular time. Populations differ from one another in gene frequency, age distribution, sex ratio, population distribution, and population density. Organisms typically have a reproductive capacity that exceeds what is necessary to replace the parent organisms when they die. This inherent capacity to overreproduce causes a rapid increase in population size when a new area is colonized. A typical population growth curve consists of a lag phase, in which the population rises very slowly, followed by an exponential growth phase in which the population increases at an accelerating rate, followed by a leveling off of the population during the deceleration phase, which leads to a relatively constant population size in a stable equilibrium phase as the carrying capacity of the environment is reached. In some populations, a fifth phase, the death phase, occurs.

The carrying capacity is the maximum sustainable number of organisms an area can support. It is set by a variety of limiting factors. The availability of energy, the availability of raw materials, the accumulation of wastes, and interactions with other organisms are limiting factors. Because organisms are interrelated, population changes in one species sometimes affect the size of other populations. This is particularly true when one organism uses another as a source of food. Some limiting factors operate from outside the population and are known as extrinsic limiting factors others are properties of the species itself and are called intrinsic limiting factors. Some limiting factors become more intense as the density of the population increases these are known as density- dependent limiting factors. Limiting factors that are more accidental and unrelated to population density are called density-independent limiting factors.

Humans as a species have the same limits and influences that other organisms do. Our current problems of food production, energy needs, pollution, and habitat destruction are outcomes of uncontrolled population growth. However, humans can reason and predict, thus offering the possibility of population control through conscious population limitation.

1. The number of reproducing adults in a population compared with the number of juveniles is the

C. population distribution.

2. The period of time when a population is growing rapidly is known as the _____.

un. because most species have a high reproductive capacity.

B. when birthrates are greater than death rates.

C. when there are high numbers of reproductive and juvenile individuals in the population.

D. Tutto quanto sopra è corretto.

4. The maximum size of a population is set by limiting factors of the environment. (T/F)

5. A limiting factor that becomes more intense as the size of a population increases is known as a density- independent limiting factor. (T/F)

un. for the human population has been reached.

B. is determined by the limiting factors of the environment.

C. is the same for all organisms.

D. None of the above is correct.

7. When the size of a population is caused to stop growing because of competition among its members, there are _____ in action.

un. extrinsic limiting factors

B. density-independent limiting factors

C. intrinsic limiting factors

D. population distribution factors

8. The populations of all species eventually reach a stable equilibrium phase. (T/F)

9. Which one of the following populations would grow most rapidly?

un. a population of mice in which there were twice as many males as females

B. a population of mice that had reached its carrying capacity

C. a population of mice in which density-dependent limiting factors were acting strongly

D. a population that was in the lag phase

10. The human population has been increasing rapidly for the past 200 years because

un. humans have displaced other organisms.

B. humans have controlled many disease organisms.

C. humans have developed improvements in agriculture.

D. Tutto quanto sopra è corretto.

11. Gene flow occurs when individuals _____ to new places.

12. Pollution can be considered to be a waste product. (T/F)

13. Which of the following is an extrinsic limiting factor?

un. the number of siblings in a bird nest

B. competition among individuals for food

C. rainstorms that kill many plant seedlings

D. None of the above is correct.

B. gives care to its young.

C. is always a tiny organism.

D. None of the above is correct.

15. The lag phase of a population growth curve results in

un. a reduction in the size of the population.

B. little increase in the size of the population.

C. a rapidly growing population.

D. None of the above is correct.

1. b 2. exponential growth phase 3. d 4. T 5. F 6. b 7. c 8. F 9. d 10. d 11. travel/migrate/move 12. T 13. c 14. b 15. B

Understanding Human Population Growth

Review figure 17.14 note that this population growth curve has very little in common with the population growth curve shown in figure 17.8. What factors have allowed the human population to grow so rapidly? What natural limiting factors will eventually bring our population under control? What is the ultimate carrying capacity of the world? What alternatives to the natural processes of population limitation could bring human population under control? Consider the following in your answers: reproduction, death, diseases, food supply, energy, farming practices, food distribution, cultural biases, and anything else you consider relevant.

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Temperate Deciduous Forest

http://treepicturesonline.com/theblackwalnut.jpg

Definizione : ability for a plant to affect the pH of the soil and the nutrient makeup with in the soil. Special types of plants uses this system in order to gain an advantage when competing with other plants in order to receive more nutrients from the soil.

Esempio: Eastern Black Walnut Tree which is a native tree in eastern north american that does this in the temperate deciduous forest.

Definizione : a disease can be anything from a bacteria to a virus that spreads through an ecosystem. The harmful part of a disease it that it can be viral so if one organism has it, it spreads to other organisms very easily by close contact or the exchange fluids.

Esempio : The Chestnut Blight disease it single handedly killed of the entire adult chestnut population in the deciduous forest. The virus spreads so easily which made other trees become infected.





Riepilogo

To illustrate how density-dependent and density-independent works, condisder this:

The density-dependent factors, such as disease, will spread through a flock of sheep more quickly if they are in close contact with each other (dense) rather than 1/4 mile apart (sparse).

The density-independent factors, such as drought, covering 1/2 of a state will affect the population no matter how sparse or dense they are. So this factor (drought) is not affected (is not dependent) by how dense or close the sheep are.