Simulace: Vývoje ekosystému korálového útesu
Název simulace: Vývoj ekosystému korálového útesu
Autor: Vít Stříteský, strv08
Typ modelu: multiagentní
Modelovací nástroj: NetLogo
Contents
Definice problému
Korálové útesy představují jeden z nejzásadnějších ekosystémů na celé planetě. Svojí existencí poskytují útočiště a potravu mnohým druhům mořského života, zajišťují ochranu pobřeží před erozí a přinášejí přínos ekonomice jednotlivých států díky turistice a rybolovu. Nicméně, v současné době jsou korálové útesy vystaveny několika rizikovým faktorům, mezi něž patří změna klimatu, znečištění a přemnožení některých druhů ryb.
Vzhledem k tomu, že korálové útesy představují velmi komplexní ekosystém a zároveň existuje nedostatek úplných informací o vlivu kombinace různých faktorů na zdraví a přežití korálů, je tvorba modelu korálového útesu velice náročná. Přesto se tato práce soustředí na modelování růstu a přežití korálů v různých podmínkách, aby byly tyto problémy lépe pochopeny, což může napomoci navržení efektivní strategie pro ochranu korálových útesů.
Metoda
Pro vyřešení tohoto problému byla zvolena technika modelování založená na agentech, za pomoci programu NetLogo. Tento přístup byl zvolen, neboť umožňuje podrobnou simulaci interakcí mezi korály a jejich prostředím, včetně vlivu teploty, intenzity světla a pH. Alternativní techniky, jako jsou matematické modely nebo laboratorní experimenty, nedokážou tak lehce zohlednit tuto složitou interakci a variabilitu v přírodním prostředí.
Model
Model simuluje růst a přežití korálů na základě čtyř klíčových faktorů: teploty, intenzity světla, pH a přítomnosti ryb. Každý korál je reprezentován agentem, jehož zdraví se pohybuje v rozmezí od 0 do 100 a je ovlivněno podmínkami prostředí. Pokud zdraví korálu klesne na nulu, korál zemře. Pokud je zdraví korálu nad 80 a teplota klesne pod 29 stupňů, korál se může rozmnožovat.
Teplota, intenzita světla a pH jsou reprezentovány pomocí globálních proměnných, které mohou být nastaveny uživatelem prostřednictvím posuvníků. Tyto faktory ovlivňují zdraví korálů následujícím způsobem:
Teplota:
Korálové útvary jsou velmi citlivé na teplotu a upřednostňují teplé, avšak ne příliš horké podmínky. Ideální teplota pro růst korálů se obvykle pohybuje kolem 27 stupňů Celsia. Pokud jsou teploty nižší než tento práh, mohou korály zpomalit svůj růst nebo dokonce přestat růst úplně. Na druhé straně, teploty nad tímto způsobují tzv. vybělení korálů, což je stresová reakce, která může vést k úhynu korálů.
Intenzita světla:
Korály jsou závislé na světle, aby mohly provádět fotosyntézu, což je proces, který produkuje energii. V korálech se nacházejí symbiotické řasy, známé jako zooxanthely, které jsou za fotosyntézu zodpovědné a poskytují korálům většinu jejich energie. Pro optimální růst korálů je potřeba intenzita světla okolo 500 μmol fotónů m-2 s-1. Pokud je intenzita světla nižší, může dojít k omezení růstu korálů kvůli menší fotosyntéze zooxanthel. Na druhou stranu, příliš vysoké intenzity světla mohou poškodit zooxanthely a způsobit vybělení korálů.
Hodnota pH:
Korály vyžadují stabilní pH hodnoty pro svůj optimální růst a vývoj. Obecně platí, že pH hodnota kolem 8,2 je nejvhodnější pro růst korálů. Vytváření tvrdých skeletů z vápenatých karbonátů je proces, který je závislý na pH hodnotě vody. Pokud je pH hodnota nižší (což indikuje kyselost vody), může to komplikovat tvorbu skeletů a vést k pomalejšímu růstu nebo poškození existujících skeletů.
Ryby a korály:
V modelu jsou obsaženy ryby, které spolupracují s korály v různých fázích jejich životního cyklu. Ryby se pohybují náhodně po modelovém prostoru a pokud narazí na korál s méně než 20 životy, požerou ho. Tento proces vychází z faktu, že některé druhy ryb, jako například papouščí ryby, se živí korály, především těmi, které jsou již oslabené nebo poškozené. Kromě toho, některé druhy ryb, jako jsou právě papouščí ryb a další planktonožravé ryby, se také živí korálovými larvami, známými jako planuly. Tyto ryby konzumují planuly během jejich volně plavoucí fáze, což může omezit počet larv, které úspěšně dosáhnou fáze usazení.
Pokud se ryby nacházejí v blízkosti korálu s méně než 20 životy, plavou k němu. Toto chování modeluje skutečnost, že ryby mohou identifikovat oslabené korály a aktivně se k nim přesunout, aby se jimi živily.
Takové jednání ryb může mít významný dopad na dynamiku korálových útesů, jelikož může přispět k úhynu oslabených korálů a omezit růst nových korálů. Je nutné si uvědomit, že tento model je zjednodušením skutečného světa a nezahrnuje všechny aspekty chování ryb a interakcí mezi rybami a korály. Například v reálném prostředí mohou některé ryby také pomáhat korálům tím, že se živí druhy, které korály poškozují, jako jsou koráloví šneci. Tyto a další složité interakce nejsou v tomto modelu zahrnuty.
Výsledky
Výsledky simulace ukazují, že růst a přežití korálů jsou silně ovlivněny teplotou, intenzitou světla, hodnotou pH a přítomností ryb. Pokud jsou tyto faktory mimo jejich optimální rozsah, zdraví korálů rychle klesá a může dojít k jejich hromadnému úhynu. Na druhou stranu, pokud jsou tyto faktory v optimálním rozmezí, koráli mohou růst a rozmnožovat se.
Závěr
Tato simulace umožnuje lépe pochopit dynamiku korálových útesů a vliv různých faktorů na zdraví a přežití korálů. Ukázala nám, jak jsou koráli citliví na změny prostředí, jako je teplota vody, intenzita světla a pH. Také jsme se dozvěděli, jak interakce s jinými organismy, například rybami, ovlivňují přežití a růst korálů.
Simulace také ukázala, jak malé změny těchto faktorů mohou mít dramatický dopad na korálové útesy. Například mírné zvýšení teploty vody může vést k úhynu korálů, zatímco snížení intenzity světla nebo pH může zpomalit nebo dokonce zcela zastavit jejich růst.
Je důležité poznamenat, že mnohé z těchto změn jsou přímo či nepřímo způsobeny lidskou činností. Globální oteplování způsobené emisemi skleníkových plynů vede k vyšším teplotám moře, zatímco znečištění vody způsobuje snížení intenzity světla a změny pH. Kromě těchto nepřímých vlivů člověk korálové útesy přímo poškozuje svými aktivitami, jako je cestovní ruch. Kotvy lodí způsobují fyzické poškození korálů a ploutve potápěčů mohou korály narušovat a ničit. Tyto činnosti mohou mít na korálové útesy ničivé účinky a přispívají k jejich rychlému úbytku.
Tato simulace nejenže umožňuje lépe pochopit dynamiku korálových útesů, ale také ukazuje, jak mohou naše vlastní činnosti ovlivnit tento vzácný ekosystém. Ukazuje, že opatření na ochranu korálových útesů jsou nezbytná pro zachování jejich jedinečné biologické rozmanitosti a ekosystémových hodnot pro budoucí generace.
Reference
BAHR, Keisha D., Paul L. JOKIEL a Ku‘ulei S. RODGERS, 2016. Seasonal and annual calcification rates of the Hawaiian reef coral, Montipora capitata, under present and future climate change scenarios. ICES Journal of Marine Science [online]. 74(4), 1083–1091 [vid. 2020-04-14]. Dostupné z: doi:https://doi.org/10.1093/icesjms/fsw078
DAVIS, Kay L., Andrew P. COLEFAX, James P. TUCKER, Brendan P. KELAHER a Isaac R. SANTOS, 2021. Global coral reef ecosystems exhibit declining calcification and increasing primary productivity. Communications Earth & Environment [online]. 2(1). Dostupné z: doi:https://doi.org/10.1038/s43247-021-00168-w
GUAN, Yi, Sönke HOHN a Agostino MERICO, 2015. Suitable Environmental Ranges for Potential Coral Reef Habitats in the Tropical Ocean. PLOS ONE [online]. 10(6), e0128831. Dostupné z: doi:https://doi.org/10.1371/journal.pone.0128831
NORTHWESTERN'S CENTER FOR CONNECTED LEARNING AND COMPUTER-BASED MODELING, [b.r.]. NetLogo 6.2.0 User Manual. ccl.northwestern.edu [online]. Dostupné z: https://ccl.northwestern.edu/netlogo/docs/
PALL, Jodie, Rohitash CHANDRA, Danial AZAM, Tristan SALLES, Jody M. WEBSTER, Richard SCALZO a Sally CRIPPS, 2020. Bayesreef: A Bayesian inference framework for modelling reef growth in response to environmental change and biological dynamics. Environmental Modelling & Software [online]. 125, 104610 [vid. 2022-12-18]. Dostupné z: doi:https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2019.104610
Kód
Kód modelu je přiložen jako soubor .nlogo.
