Stádo pakoňů
Contents
Stádo pakoňů
Křehká rovnováha života na savaně závisí na složitých ekologických vztazích. Sebemnší změny podmínek zde mohou mít vlnivý dopad na populace zvířat, které ji obývají. Klíčovým prvkem v této složité síti života jsou pakoně, ikonický druh obývající tyto rozlehlé pastviny. Tato simulace se zabývá dynamickou souhrou mezi pakoni, jejich hlavním predátorem - lvem - a rozmarností prostředí a zaměřuje se na to, jak dostupnost zdrojů ovlivňuje jejich přežití.
Definice problému
Cílem této práce je simulovat chování stád pakoňů a lvů v různých podmínkách prostředí, zejména pokud jde o dostupnost vody a potravy. Cílem simulace je pochopit vliv faktorů prostředí na přežití stád pakoňů v přítomnosti jejich přirozených predátorů, lvů.
Metoda
Simulace byla provedena v rámci prostředí NetLogo. Byly modelovány interakce a chování pakoňů a lvů v prostředí savany. Pro simulaci byly zahrnuty parametry, jako je věk, zdraví, rychlost, vytrvalost nebo hlad a žízeň.
Simulace byla provedena čtyřikrát za různých počátečních podmínek zdrojů: 25 %, 50 %, 75 % a 100 % dostupnosti zdrojů.
Model
Agenti
Pakůň
V simulaci je chování pakoňů definováno následovně:
Krmení: Pakoně vyhledávají trsy trávy a konzumují je, čímž se zvyšuje jejich proměnná "hlad". Jakmile zkonzumují trs trávy, změní se jeho barva na šedou, což znamená, že byl sněden.
Pití: Když jejich proměnná "žízeň" klesne pod určitou mez, hledají políčka s vodou, aby se napili, a zvyšují si tak úroveň "žízně".
Únik: Aby se vyhnuli ulovení lvem, utíkají před lvy za předpokladu, že se dostanou příliž blízko a jejich stav je "lovení". Používají flocking algoritmus, aby se vyhnuli kolizím a sladili svůj směr s blízkými pakoni.
Žití: Pakoně mohou zemřít hladem, žízní nebo na následky lovu lvů. Když pakoně zemřou, stanou se z nich "mrtvoly", které mohou lvi sežrat. Každý pakůň má určitou váhu, která udává i váhu mrtvoly. Po sežrání (vyčerpání váhy) mrtvoly mrtvola zmizí.
Reprodukce: Samice pakoňů mohou v období páření zabřeznout a porodit mláďata. Mláďata následují svou matku, dokud nedosáhnou určitého věku, nespotřebovávají po tuto dobu zdroje (předpoklad, že jsou kojeni).
Lev
V simulaci je chování lvů definováno následovně:
Lov: Lvi loví pakoně pro potravu. Mohou se zaměřit buď na živé pakoně, nebo primárně na jejich mrtvoly, přičemž při úspěšném lovu se jim zvyšuje proměnná "hlad".
Pití: Když proměnná "žízeň" klesne pod určitou hranici, lvi hledají vodní nádrže, aby se napili, a zvyšují si tak úroveň "žízně".
Odpočinek: Lvi mají stav odpočinku, během něhož se odeberou do stínu pod strom.
Žití: Na rozdíl od pakoňů lvi v simulaci umírají pouze hladem nebo žízní, protože jsou vrcholovými predátory.
U obou agentů, pakoňů i lvů, se v pravidelných intervalech (každý "tick" simulace) aktualizuje jejich výdrž, hlad a žízeň. Intervaly rovněž řídí stavy svého chování na základě různých podnětů z prostředí a vnitřních proměnných, jako je hlad a žízeň.
Data pro vytvoření agentů byla sebrána z reálných dat, jako například doba, po které se mládě osamostatní, trvání březosti etc. Hodnoty jako je bazální metabolický výdej nebo množství spotřebované potravy je možné do modelu dosadit, ovšem jelikož je simulace prováděná pouze pro několik dní (z důvodu omezeného výkonu NetLogo) nic moc by se v těchto dnech nedělo jelikož například lvy loví pouze párkrát v týdnu.
Prostředí
Prostředí simulace
Generování heat mapy
Vzhledem k tomu, že program NetLogo není schopen generovat Perlinův šumu, musel být použí externí generátor Perlinova šumu. Perlinův šum byl použit k vytvoření 2D heat mapy, která představuje rozložení vody a trávy v prostředí. Barvy na mapě se pohybují od bílé po černou, přičemž černé oblasti označují vodu a různé odstíny šedé trávu, přičemž světlejší odstíny označují hustší trávu.
Převod na CSV
Vygenerovaná Perlinova mapa šumu mapa byla poté převedena do souboru CSV, kde každý sloupec představuje hodnotu pixelu. To umožnilo importovat 2D mapu do programu NetLogo jako datovou matici. Zatímco program NetLogo podporuje import obrázků pro nastavení barev políček, byla zde nutná flexibilita, kterou nabízí soubor CSV, aby bylo možné hodnoty ve stupních šedi použít více kontrolovaně a určit tak rozložení vody a trávy.
Vytvoření prostředí v aplikaci NetLogo
Po importu souboru CSV ve stupních šedi do programu NetLogo bylo vytvořeno simulační prostředí. Kód interpretuje hodnoty stupňů šedi ze souboru CSV a pomocí nich diktuje přítomnost vody a trávy. Nižší hodnoty představují vodní plochy, zatímco zbývající plocha je pokryta trávou s různou hustotou na základě hodnot stupňů šedi.
Entity zvířat
Prostředí je osídleno entitami pakoňů a lvů, z nichž každá je vizuálně rozlišitelná podle příslušné barvy.
- Lvi - bílá šipka
- Pakůň samec - modrá šipka
- Pakůň samice - červená šipka
- Pakůň mládě - žlutá šipka
- Pakůň mrtvola - červený křížek
Dynamické prostředí
Prostředí se v průběhu času vyvíjí a napodobuje tak skutečnou dynamiku savany. Hladina vody se mění, což demonstruje přírodní jevy, jako je vypařování nebo doplňování vody deštěm a také především pití zvířat. Podobně dochází ke konzumaci trávy a její obnově deštěm. Na následujícím obrázku je vidět jak nastavení množství prvnotních zdrojů ovlivňuje prostředí simulace.
Na tomto obrázku je následně vidět jak agenti spotřebovávají zdroje, tedy úbytek vody a spotřebování trávy (tráva zešedne).
Výsledky
Byly shromážděny údaje o počtu pakoňů v průběhu času, jejich průměrném zdraví a četnosti lovů lvů.
Výsledky simulace ukázaly minimální rozdíly mezi čtyřmi podmínkami zdrojů, s výjimkou podmínky 25 %, kdy pakoně nakonec zemřeli hlady.
Pro ukázku jsou uvedeny výstupy pro simulace s 25% zdrojů a 75% zdrojů, jak je vidět rozdíl je nepatrný až na skokovou úmrtnost u 25%.
Na následujícím gifu můžeme sledovat průběh části simulace. Zpočátku se většina pakoňů rozhodne pro napití a následné krmení. Přitom se však snaží vyhýbat lvům, kteří na ně útočí. Po úspěšném ulovení a následné konzumaci pakoně se lvi stahují pod strom. Mimo jiné zde můžeme pozorovat flockingové chování pakoňů, a také to, že lvi prioritizují konzumaci uloveného zvířete před hledáním další kořisti.
Pozn.: Rychlost animace je 3x zrychlená. Simulace byla prováděna v maximální rychlosti.
Nastavení prostředí
Pro každou simulaci bylo nastaveno množství stád na 15 a počet lvů na 10. Každé stádo se skládá z ca. 8 samic kde má více jak polovina mládě a ca. 3 samců (40 % stáda jsou samci). Tyto údaje, stejně jako ostatní, jsou založeny na reálných datech.
Nedostatky a prstor pro budoucí vylepšení
Současná implementace ekosystému v programu NetLogo úspěšně simulovala řadu klíčových ekologických interakcí. Stejně jako všechny modely však není bez omezení a potenciálních oblastí pro zlepšení. Níže je popsáno několik nedostatků a návrhů na vylepšení:
Kompromis mezi měřítkem a realismem
Nedostatek efektivních paralelních výpočetních schopností NetLogo a podpora výpočtů na grafických procesorech (CUDA) značně omezuje měřítko simulace. To nás nutí volit mezi velkými, realističtějšími stády a rychlejšími simulacemi v menším měřítku. V reálných scénářích se rozsáhlá stáda pohybují po rozlehlých planinách, což je náročné věrně zobrazit v simulaci bez značných výpočetních prostředků a času. Budoucí vylepšení by mohlo zahrnovat převedení modelu na platformu, která lépe podporuje paralelní výpočty nebo využívá GPU akceleraci, což by umožnilo provádět simulace ve větším měřítku a přesněji.
V současné době jsou zvířata v simulaci schopna navigovat skrze vodu, což sice nereprezentuje skutečné chování, ale je to praktický kompromis. Implementace algoritmu pro hledání cesty, který by tomuto chování zabránil, je teoreticky možná, ale vzhledem k výpočetním omezením NetLogo by taková implementace byla pravděpodobně neúměrně pomalá. Budoucí iterace modelu by mohly zahrnovat sofistikovanější navigační chování, pokud je lze efektivně implementovat.
Nedostatečně využitá mechanika životního cyklu pakoňů
Ačkoli jsou v modelu implementovány aspekty jako rozmnožování, stárnutí, smrt nebo déšť (doplňování zdrojů) jsou často nedostatečně využity kvůli zvolenému kompromisu mezi velikostí stáda a dobou trvání simulace. Toto nedostatečné využití má za následek nevyužití možnosti studovat dlouhodobou populační dynamiku a ekologické procesy. Budoucí výzkum by se mohl zaměřit na implementaci účinných způsobů simulace těchto prvků v delším časovém horizontu, případně prozkoumat techniky pro urychlení životního cyklu v rámci modelu.
Závěr
Získané výsledky naznačují, že dostupnost zdrojů může mít vliv na přežití stád pakoňů, a to zejména v přítomnosti jejich přirozených predátorů, lvů. Přestože byly mezi čtyřmi podmínkami zdrojů zaznamenány pouze minimální rozdíly, výsledky ukázaly, že pokud byla dostupnost zdrojů na 25%, pakoně nakonec zemřeli hlady.
Důležité je zmínit také několik nedostatků tohoto modelu, které by mohly sloužit jako oblasti pro budoucí vylepšení. Především zde existuje kompromis mezi měřítkem a realismem, vzhledem k omezeným výpočetním schopnostem NetLogo. Dále by mohl být model v budoucnu rozšířen o další živočišné druhy a složitější chování, jako je například teritoriální chování lvů.
Kód
File:Semestralkamulp00.nlogo File:TextureCSV.xls Jedná se o csv soubor přejmenovaný pro import na wiki (csv nepovoleno)
Reference
Anon., [b.r.]. Blue wildebeest (Connochaetes taurinus) longevity, ageing, and life history [online] [vid. 2023a-06-08]. Dostupné z: https://genomics.senescence.info/species/entry.php?species=Connochaetes_taurinus
Anon., [b.r.]. Serengeti: Nature’s Living Laboratory | HHMI BioInteractive Video [online]. [b.r.]. Anon.
GERACI, Greg, [b.r.]. Connochaetes taurinus (blue wildebeest). Animal Diversity Web [online] [vid. 2023-06-08]. Dostupné z: https://animaldiversity.org/accounts/Connochaetes_taurinus/
ROGY, Pierre a Anthony R. E. SINCLAIR, 2020. Long-term surveys of age structure in 13 ungulate and one ostrich species in the Serengeti, 1926-2018 [online]. [vid. 2023-06-08]. Dostupné z: doi:10.5063/F1VX0DW4
SITATI, Noah, Kenana LEKISHON, Samuel BAKARI, Fiesta WARINWA, Stephen Ndambuki MWIU, Nathan GICHOHI, Elphas BITOK, Machoke MWITA, Hamza K. IJA a Joseph MUKEKA, 2014. Wildebeest (Connochaetes taurinus) Population Densities and Distribution in Dry and Wet Season in the Kilimanjaro Landscape. Natural Resources [online]. 05(13), 810. Dostupné z: doi:10.4236/nr.2014.513070
TAMBLING, Craig J. a Johan T. DU TOIT, 2005. Modelling wildebeest population dynamics: implications of predation and harvesting in a closed system: Wildebeest population dynamics. Journal of Applied Ecology [online]. 42(3), 431–441. ISSN 00218901. Dostupné z: doi:10.1111/j.1365-2664.2005.01039.x
