Simulace populací včel (Netlogo)

Simulace Killer Bees
Název simulace: Simulace střetu populací Evropských a Afrikanizovaných včel medonosných

Autor: Michaela Trnková

Typ modelu: Multiagentní

Modelovací nástroj: NetLogo

Popis modelu: V padesátých letech minulého století stvořil vědec v Brazílii křížence africké a evropské včely medonosné. Afrikanizované včely sice produkují až dvojnásobné množství medu než původní evropský druh, zato si ale zachovaly svoji hyperagresivitu danou množstvím predátorů v Africe. Oproti tomu evropské včely byly po staletí šlechtěny k mírnému chování. V roce 1957 uniklo 26 rojů z původního chovu a dnes tvoří dominantní druh od Jižní Ameriky až po jižní státy USA. Uvádí se, že území, kde dominují afrikanizované nebo hybridní druhy, se každý den posune o dva kilometry na sever.

Účelem této simulace je vytvořit zjednodušený model křížení a soužití jednotlivých druhů v závislosti na dostupném prostoru a na jednotlivých oblastech s různými klimatickými podmínkami. Jednou ze snah modelu je zjistit, zda a do jaké míry je v přírodě možné, aby vznikl hybridní druh, který si zachová vysokou produktivitu, ale ztratí své hyper-agresivní chování. Oba tyto prvky jsou geneticky dominantní, bylo by tedy zapotřebí, aby se u některých včel objevili dva recesivní prvky pro agresivitu, ale alespoň jeden dominantní prvek pro vysokou produktivitu.

=Metoda=

Model je vytvořen pomocí softwaru Netlogo, který se dobře hodí pro simulaci ekosystémů a jemu podobných situací. Také dovoluje celkem dobře sledovat, jak se situace v modelu mění v průběhu času. K přibližnému nastavení posloužili hlavně informace z Cornell University, ale také data z výzkůmů z university v Uppsale a dalších zdrojů. Model je relativně jednoduchý, ale je připraven na případné možnosti rozšíření. Současně jsou v něm definovány 4 druhy agentů s různým chováním a vlastnostmi.

Agenty

 * Včelí úly: Včelí úly slouží jako "základna" pro akce všech včelích agentů. Kromě základních parametrů jako je pozice a velikost může mít přiřazenou královnu a využívá také několik pomocných proměnných.
 * Včelí královna: Nejdůležitější prvek včelího úlu, ale také této simulace. Slouží nejen jako nositelka genetických informací, ale také produkuje nové královny a trubce. Každá královna má svojí sadu vlastností, jako věk, energie, zdravotní stav, rychlost, označení svého domovského úlu a další. Mimojiné nese tři své genetické informace - mitochondrie, geny určující agresivitu chování a geny určující zvýšenou produktivitu. Také nese genetickou informaci od trubce, se kterým se spářila. Tyto informace poté předává dále svým potomkům.


 * Trubec: Hlavním životním posláním trubce je najít neoplodněnou královnu a předat jí svůj genetický kód. Jeho činnosti se tedy výhradně stává poletování a následování vhodných královen.


 * Biom: Kromě barvy, kterou dostane přiřazenu každá dlaždice má biom vliv na to, jak na něj budou jednotlivé druhy reagovat. V modelu by byly možnosti na další rozšíření vlastností jednotlivých biomů na vývoj včelích populací. Momentálně však ovlivňují výhradně šanci na přežití úlu. V modelu je v současnosti 7 biomů. Tropický, subtropický, vyschlý, les teplého pásma, les mírného pásma, les studeného pásma a taiga/tundra.

Nejdůležitější metody modelu

 * Nastavení biomů a úlů: Nastavení a rozložení jednotlivých úlú i biomů je náhodné. V případě úlů zcela, u biomů jsou pak biomy rozloženy přirozeně podle vzrůstající teploty přibližně od severu k jihu.
 * Naplnění úlů včelami: Afrikanizovaná včelstva jsou osazována vždy do tech nejjižněji posazených úlů. Včely evropského původu jsou pak rozesety zcela náhodně.
 * Produkce trubců: Trubci vznikají z neoplozených vajíček, jde tedy vždy o klony své matky. Od té vždy zdědí náhodnou část matčina kódu pro egresivitu nebo produkci medu.
 * Produkce nových královen: Královny vznikají kombinací genů matky a trubce, který matku oplodnil. Exklusivně po mateřské linii se dědí mitochondrie, lze tak vždy poznat, zda pochází konkrétní královna a kolonie z africké nebo evropské skupiny včel.
 * Hledání partnera: Trubci i královny mají vlastní metody pro hledání partnera. Při němž se pohybují víceméně náhodně. Mají omezený dohled a také omezené množství energie, pokud jim dode, musí se vrátit zpět do svého úlu. Mimo to také existuje šance, že včelu během cestování něco sežere nebo se potká s automobilem a zanikne.
 * Rojení: Rojení je možná nejdůležitější část životního cyklo včelí královny. Během rojení opouští královna svůj úl a hledá nové místo v hodné pro založení nového úlu. V modelu může obsadit prázdný úl. Ten může být prázdý od začátku, nebo může zemřít jeho původní královna. Pokud královna nenajde vhodný prázdný úl, může také nalézt místo v divočině, Pokud je v dostatečné vzdálenosti od ostatních úlů. Pokud nenajde ani takové místo, bude bloudit dál, dokud nenalezne, nebo jí nedojde energie a nezemře.

Vstupní parametry modelu
Model obsahuje také několik vstupních parametrů, které lze upravit skrze uživatelské rozhraní a ovlivnit tak chování a výsledky celého modelu.


 * Startovní počet afrikanizovaných rojů: Tento parametr určuje, kolik bude na počátku obsazeno úlů afrikanizovanými včelami.


 * Startovní počet úlů: Parametr, který určuje počet úlů náhodně rozmístěných v prostředí simulace.


 * Startovní počet naplněných úlů: Jedná se o parametr určující množství včelích úlů, které budou na začátku simulace naplněny evropskými včelami.


 * Minimální vzdálenost mezi novými úly: Tento parametr určuje, v jaké vzdálenosti od ostatních úlů může královna vytvořit nový divoký úl. Pomocí tohoto parametru lze ovládat hustotu úlů v prostředí a nepřímo se jedná i o jakýsi regulát dostupných surovin - čím menší mezery, tím více musí být dostupných surovin k uživení všech úlů. Tento parametr je možné upravovat i za běhu modelu.


 * Vliv prostředí: V případě tohoto parametru lze v modelu určit, do jaké míry bude mít prostředí biomu, ve kterém se jednotlivé úly nacházejí vliv na přežití včelstva. Tento parametr je možné upravovat i za běhu modelu.

Shrnutí a výsledky
Tento model je v některých oblastech zjednodušen o určité prvky. Přesto však ukazuje několik poměrně zajímavých výsledků. Z dostupných dat víme (a jest tak zakódováno v modelu), že afrikanizované včely se rojí čtyřikrát až pětkrát častěji, než včely pocházející z Evropy. Také jsou jejich trubci silnější a rychlejší, tím pádem uspěšnější v šířeních svých genů. Navíc jsou geny pro mírné chování recesivní, a tak není lehké tuto vlastnost mezi včelstvy zachovat. Při naprosté většině možných nastavení afrikanizované včely původní populaci překonají velikou rychlostí. Existují však možné scénáře, kdy může situace dopadnout jinak. Prvním možným scénářem je nastavení vysokého vlivu prostředí. Důsledkem toho budou evropské včely prosperovat v chladnějším podnebí, zatímco afrikanizované s vedou dobře v tropických oblastech. Druhá možnost je vytvoření velice hustého pokrytí úly a přidání jediného (nebo velmi malého množství) úlu s afrikanizovanými včelami. To vede k vytvoření velkého počtu hybridů a až čtvrtina včelstev může být následně vytvořit krotkými včelami se silnou produkcí. I v takovém to případě se však potenciálně nejžádanější včelí královny z evropské linie s krotkou povahou a vysokou produkcí vyskytují pouze v řádu jednotlivých kusů, a to i při dlouhodobém běhu simulace.

V modelu se vyskytuje občasný problém s vyhynutím včelstva i bez použití pesticidů. I přes to je model v celku uspokojivý a nabízí možnosti pro další rozšíření. Například rozšíření o další geneticky řízené vlastnosti (jako odolnost vůči parazitům a podobně) by nebylo příliš náročné. Systém tvorby a využití biomů by taktéž bylo možné více rozšířit.

Obrázky


=Kód=

Zdrojový kód simulace je zde:

Zdroje
GLENN, Tom. Principles of Honeybee Genetics

Nelson, R. M., Wallberg, A., Simões, Z. L. P., Lawson, D. J., & Webster, M. T. (2017). Genomewide analysis of admixture and adaptation in the Africanized honeybee. Molecular Ecology, 26(14), 3603–3617. doi:10.1111/mec.14122