Simulace přemnožených hrabošů

Název simulace: Simulace plošného trávení přemnožených hrabošů a následného vlivu na dravce, kteří se jimi živí

Autor: Josef Čekan

Typ modelu: Multiagentní

Modelovací nástroj: NetLogo

Popis modelu: V roce 2019 došlo především z důvodu proběhnuvší mírnější zimy v České republice k přemnožení hraboše polního. K tomuto jevu na území České republiky a mnoha dalších zemí nedošlo poprvé a jedná se tak o častější jev, který při svém průběhu znamená jisté komplikace a skutečnosti, se kterými se obyvatelé musí vypořádat. Hraboš polní, jak již jeho jméno napovídá, totiž žije v polích a živí se tak především úrodou na polích pěstovanou. Jeho přemnožení tak ohrožuje především právě tuto úrodu, na které poté hraboši páchají nemalé majetkové škody. Zemědělci tak v obavách o svou produkci usilují o povolení použít jedovaté látky k likvidaci hrabošů tak, aby zmírnili jimi způsobenou škodu. Jejich argumentace pak sahá až k hrozbám o podzimním nastěhování hrabošů blíže lidským obydlím, z důvodu nedostatku potravy na polích. Argumentují pak hlavně rizikem přenosu nebezpečných nemocí těmito malými hlodavci. Naopak argumentace ekologů proti hubení hlodavců jedovatými látkami zmiňuje především vysokou odolností populace hrabošů na jedovaté látky, kdy se jejich počet velmi rychle a snadno opět obnoví na původní úroveň. Dále ekologové argumentují vysokou pravděpodobností přenosu otravy z hlodavce na další zvířata. K tomu může dojít při pozření hlodavce nějakým predátorem. Vysvětlují pak, že vzhledem k možnému dočasnému snížení populace hrabošů a zároveň vysoce pravděpodobnému přenosu otravy na jejich predátory by mohli mít s existencí problémy spíše právě jejich predátoři, čímž by se pak mohl problém vymknout z rukou a byl narušen přirozený stav věcí. Ekologové se tak velmi silně brání plošnému a nepromyšlenému trávení hlodavců, jelikož by dle nich mohlo způsobit škody mnohem větší než samotné původní přemnožení malých hlodavců bez lidského zásahu.

Účelem této simulace je vytvořit zjednodušený model reality zachycující populaci hrabošů a dravců hraboši se živícími s možností plošného užití jedu určenému k trávení hrabošů s cílem snížení jejich populace. Hlavním úkolem modelu je umožnit při různorodém nastavení počátečních podmínek zjistit, jaký dopad bude mít užití jedovatých látek na život obou zvířecích druhů. Reprezentantem dravců byla pro tento model zvolena lasice kolčava, jejíž jídelníček je dle dostupných a zmíněných zdrojů tvořen z drtivé většiny právě hraboši, čímž je její populace závislá na populaci hrabošů.

Metoda

Nástrojem zvoleným pro vytvoření modelu se stalo Netlogo, které je na podobné typy modelů (predator-prey) velmi dobře stavěné a umožňuje jak uživateli tak tvůrci poměrně snadno se simulací manipulovat a pozorovat dopady různých nastavení. K zjednodušenému stvoření modelu dotčené reality byla použita data a informace z diplomové práce vzniklé na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého v Olomouci s názvem "Populační fluktuace hraboše polního a kolčavy: test predační hypotézy". Dalšími zdroji pro seminární práci se staly webové stránky wikipedie a dalších pojednávající o biologii zúčastněných zvířecích druhů. Veškeré použité zdroje jsou uvedeny v závěru této stránky. Vypíchnout by pak snad jen stálo za to článek z webových stránek ekolist.cz, který se stal hlavní inspirací pro vznik celé semestrální práce. V článku jsou pak k nalezení odkazy na faktické informace, které jsou uvedeny v úvodu. V rámci simulace jsou definovány 3 druhy agentů s různám chováním a vlastnostmi.

Detaily modelu

Agenti

Hraboš: Hraboš polní v tomto modelu vystupuje především jako kořist. Jeho základními úkoly v modelu je rozmnožování se, pohyb po biomu a pojídání plodin. V každé formě simulace má hraboš svou pozici, energii určenou k rozmnožování a pohybu a v neposlední řadě informaci o tom, zda je otrávený či nikoliv. Dále může mít hraboš omezený také věk, kterého se může dožít. Hrabošovi byla zároveň v rámci simulace implementována možnost jednoduché inteligence, kdy se snaží svému predátorovi co nejvíce vyhnout.

Kolčava: Lasice kolčava v modelu vystupuje jako predátor hraboše. Jejím základním úkolem je lovit kořisti, rozmnožovat se a pohybovat se po biomu. V každé formě simulace má kolčava svou pozici, energii určenou k rozmnožování a pohybu a také podobně jako hraboš informaci o to, zda je otrávená či nikoliv. V případě, že je nastaveno aby simulace brala v úvahu věk zvířat, eviduje hraboš tuto informaci taktéž. Stejně jako hraboš i kolčava může disponovat inteligencí, která ji pomáhá se v prostoru lépe orientovat a efektivněji lovit své kořisti.

Biom: Biom v simulaci vystupuje jako pomyslná pole, po kterých se zvěř pohybuje. Biom může nabývat různých barev v závislosti na tom zda se na nich nachází plodiny, které může zvíře sníst či zda je na nich umístěn jed určený k trávení hrabošů. Biom se pak chová tak, že po konzumaci plodin z pole začne na prázdném poli růst plodina nová, případně po požití nastrčeného jedu je pomyslným zemědělcem nastrčen jed jinam tak, aby byla splněna míra plošného trávení zvolená uživatelem.

Nejdůležitější prvky modelu

Nastavení biomu-polí: Na počátku simulace jsou rozdělena dostupná pole na ta obrostlá plodinami a ta prázdná, na kterých plodiny zatím vzrostlé nejsou. Zároveň je jim přiřazena vlastnost zaručující opětovný růst plodin po jejich konzumaci. V případě, že je plodina z pole zkonzumována je pole prázdné dokud na něm opět plodiny nevyrostou. Pole pak mohou být kdykoliv během simulace otrávena dle počátečních nastavení.
Život hrabošů: V základu je pohyb hraboše tvořen posunem vpřed náhodným směrem o jedno pole. Pokud je však hraboš dostatečně inteligentní na to, aby ve svém okolí spatřil predátory, je schopen se pokusit si vybrat tu cestu pro něj nejbezpečnější. Pohyb hraboše v každém případě stojí energii a to v závislosti na stavu, v jakém se nachází. Energii hraboš získává konzumací plodin. Otrávit se hraboš může konzumací otrávených plodin. Rozmnožování hrabošů pak probíhá při zdraví a dostatečné energii. V případě, že je brán v úvahu věk zvířat, hraboš stárne s každým rozmnožením.
Život kolčav: Kolčavy mají taktéž možnost být inteligentní. Jejich inteligence jakožto predátora je však o řád vyšší, jelikož vždy spolehlivě zvolí cestu k lovu nejsnáze dostupného hraboše. Podobně jako hraboše stojí i kolčavu každý pohyb energii v závislosti na zdravotním stavu. Pakliže má pak kolčava dostatek energie a je zdravá může se podobně jako hraboš rozmnožit. Věk kolčavě narůstá taktéž s každým rozmnožením. Kolčava energii získává skrze lov hrabošů. K otrávení kolčavy dochází pouze v případě konzumace otráveného hraboše s přednastavenou pravděpodobností.
Trávení polí: Trávení polí probíhá dle přednastavených parametrů. Může započít a skončit v libovolný čas a probíhat v libovolné míře a síle. V případě, že probíhá trávení polí je jed stále doplňován na náhodná pole tak, aby množství trávených polí odpovídalo zvolenému procentu polí. Pozření otrávených plodin způsobí otravu hraboše, čímž mu zamezí dalšímu rozmnožování a způsobí pohyb náročností neslučitelný s dlouhodobým životem. Stejně tak pokud dojde k otravě kolčavy skrz hraboše bude i jí odejmuta možnost se rozmnožovat a pohyb pro ni bude smrtelně náročný.

Vstupní parametry modelu

Model zahrnuje následující počáteční parametry, které lze upravit skrze uživatelské rozhraní aplikace Netlogo, čímž může uživatel ovlivnit aspekty chování a výsledky celého modelu.

Počáteční počet kolčav: Tímto parametrem lze určit, kolik bude na počátku umístěno v simulaci kolčav.

Počáteční počet hrabošů: Tímto parametrem lze určit, kolik bude na počátku umístěno v simulaci hrabošů.

Doba simulace: Parametr nastavující délku simulace.

Počátek trávení Tento parametr určuje, kdy během simulace započne proces plošného trávení

Konec trávení: Tento parametr určuje, jak dlouho bude proces plošného trávení trvat, respektive kdy dojde k jeho ukončení.

Procento jedu: Tento parametr udává počet otrávených polí při procesu plošného trávení. Údaj je zadáván v procentech, která jsou následně přepočtena na počet polí.

Doba růstu plodin: Jedná se o parametr, který určuje čas potřebný k růstu plodin na polích.

Síla jedu: Tento parametr určuje, jak silný jed bude použit. Síla jedu má následně vliv především na ztrátu energie při pohybu otráveného zvířete.

Uvažovat věk: Tento přepínač variant v simulaci určuje, zda bude brán v úvahu věk zvířat a s ním spojená smrt na stáří. Věk je v simulaci vztažen k proceduře rozmnožování tak, aby model lépe odpovídal realitě.

Energie k rozmnožení kolčavy: Tímto parametrem je možné zvolit hladinu energie u kolčavy potřebnou pro její rozmnožení.

Energie k rozmnožení hraboše: Tímto parametrem je možné zvolit hladinu energie u hraboše potřebnou pro jeho rozmnožení.

Energie z hraboše: Parametr udávající výši získané energie při ulovení hraboše kolčavou.

Energie z plodin: Parametr udávající výši získané energie při konzumaci plodin hrabošem.

Inteligence kolčavy: Parametr určující míru inteligence zvířete. Kolčava díky němu podstatně lépe cílí svůj pohyb k úspěšnému lovu.

Inteligence hraboše: Parametru určující míru inteligence zvířete. Hraboš díky němu může lépe zvládat své úhybné mánevry, avšak často může být pro hraboše spíše kontraproduktivní. Stejně jako v reálném světě, občas hraboš naběhne přímo do spárů predátora.

Pravděpodobnost otravy kolčavy: Tímto parametrem je určena šance, s jakou se kolčava otráví skrze konzumaci otráveného hraboše.

Max věk kolčava: Udává maximální věk, kterého se kolčava může dožít. Tento parametr je použit pouze v případě, že je zvolena varianta simulace s ohledem na věk.

Max věk hraboš: Udává maximální věk, kterého se hraboš může dožít. Tento parametr je použit pouze v případě, že je zvolena varianta simulace s ohledem na věk.

Výstupy modelu

Aktuální situace v simulaci: Model v každém momentě (ticku) simulace zobrazuje aktuální počet kolčav, hrabošů a otrávených polí.

Graf simulace: Model obsahuje graf, ve kterém je v reálném čase vykreslován stav simulace. V grafu je znázorněn začátek a konec procesu plošného trávení. Lze tak díky němu pozorovat průběh simulace s ohledem na události v simulaci nastalé.

Průměrné hodnoty vzrostlých plodin: Model po proběhnuté simulaci zobrazuje průměrné hodnoty pro počty polí s plodinami vypočtené ze součtu těchto polí v každém momentě (ticku). Průměrné hodnoty jsou počítány a zobrazeny pro období před, během i po plošném trávení, tudíž je možné sledovat, jaký vliv má trávení na konzumovanou úrodu. Jedná se pouze o hrubý ukazatel.

Shrnutí a výsledky

Ačkoliv se jedná o model z části zjednodušený, vykazuje zajímavé výsledky s ohledem na reálný průběh biologie kolčav a hrabošů. Z výsledků modelu při různorodém nastavení lze pozorovat přímou závislost populace kolčav na populaci hrabošů. Populace hrabošů zároveň silně koreluje s množstvím plodin v půdě, pakliže nejsou šikanováni silnou převahou kolčav. Tímto tak model odpovídá realitě, kdy může dojít z důvodu mírné zimy a příznivého počasí pro úrodu k přemnožení hrabošů. Přemnožení hrabošů má však i v modelu vždy za následek růst populace kolčav, které následně korigují populaci hrabošů do únosných hodnot. Trávením pak ve většině případů a nastavení parametrů dochází spíše ke slabému útlumu populace hrabošů, avšak ruku v ruce vždy se sníženou populací kolčav, což někdy může způsobit až vyhynutí kolčav. Taková situace se poté rovná exponenciálnímu růstu populace hrabošů. Tímto tak model odpovídá tvrzením ekologů, že necitlivé a nesystematické plošné trávení hrabošů může mít horší následky, než ponechání problému přírodě. Ačkoliv se jedná pouze o letmý ukazatel reality, model taktéž nevykazuje nikterak zvlášť ušetřenou produkci zemědělců po použití jedu. Naopak se zde opět potvrzují tvrzení ekologů, kdy se hraboši se sníženou populací často skokově vypořádají a kolčavy vlivem náročnějšího a méně efektivního rozmnožování mírně za tímto růstem zaostávají, čímž je dočasně opět navýšena populace hrabošů v přírodě.

Model je občas citlivý na vstupní parametry a může tak někdy skončit smrtí všech zvířat případně exponenciálním přemnožením hrabošů. Je však třeba brát v úvahu nemožnost jistoty chování modelu při extrémnějších nastaveních vzhledem k úrovni argumentaci odborníků na danou problematiku, kdy sami na základě krajních aspektů reality popisují výsledek jednání jako jeden z těchto extrémů.

Model by mohl být dále rozšiřován například o různá pohlaví zvířat, další druhy dravců či jiné agenty tak, aby ještě více odpovídal realitě. Se složitostí modelu pak ale může mírně klesat jeho důvěryhodnost vzhledem ke kvantu parametrů a použitých předpokladů.