Slime (агрегация слизевиков)

Описание модели	Эта модель показывает, как существа могут объединяться в кластеры без контроля со стороны клетки-лидера или пейсмейкера. Это открытие было впервые описано Эвелин Фокс Келлер и Ли Сигел в статье в 1970 году. До того, как Келлер начала свои исследования, общепринятым считалось, что рои слизевиков образуются по команде клеток-лидеров, которые приказывают другим клеткам начать агрегацию.
Область знаний	NetSci, Химия, Биология
Веб-страница - ссылка на модель	https://netlogoweb.org/launch#https://netlogoweb.org/assets/modelslib/Sample%20Models/Biology/Slime.nlogo
Видео запись
Разработчики
Среды и средства, в которых реализована модель	NetLogo
Диаграмма модели
Описание полей данных, которые модель порождает
Модель создана студентами?	Нет

Описание

В 1962 году Шафер показал, как пейсмейкеры могут использовать циклический АМФ в качестве своего рода сигнала для сплочения войск. Клетки генералы слизевиков выделяли соединения в нужные моменты, вызывая волны циклического АМФ, которые проносились по всему сообществу, поскольку каждая изолированная клетка передавала сигнал своим соседям. Агрегация слизевиков, по сути, была гигантской телефонной игрой, но первоначальный звонок сделали лишь несколько элитных ячеек.

В течение двадцати лет, прошедших после публикации оригинального эссе Шафера, микологи полагали, что отсутствие пейсмекерных клеток является признаком недостаточности данных или плохо спланированных экспериментов. Но Келлер и Сигел выбрали другой, более радикальный подход. Они показывают, что Шафер ошибался: сообщество клеток слизевика самоорганизовалось без необходимости существования лидеров. Это был один из первых примеров эмерджентности и самоорганизации в биологии.

Первоначально биологи не приняли это объяснение и гипотеза пейсмейкера оставалась господствующей моделью еще десятилетие. Теперь скопление слизевиков признано классическим примером самоорганизующегося поведения «снизу вверх». В этой модели каждая черепаха выбрасывает химический феромон (показан на зелёным цветом патча). Черепахи «нюхают» впереди себя, пытаясь проследить за градиентом химических веществ других черепах. Тем временем патчи рассеивают и испаряют феромон. Следуя этим простым децентрализованным правилам, черепахи объединяются в кластеры.

1. Keller, E & Segel, L. (1970). Initiation of slime mold aggregation viewed as an instability. Journal of Theoretical Biology, Volume 26, Issue 3, March 1970, Pages 399–415.
2. Wilensky, U., & Resnick, M. (1999). Thinking in levels: A dynamic systems approach to making sense of the world. Journal of Science Education and Technology, 8(1), 3-19.
3. Johnson, S. (2001). Emergence: The Connected Lives of Ants, Brains, Cities, and Software. New York: Scribner.

См. паттерн -

• Поиск восхождением к вершине

Wilensky, U., & Resnick, M. (1999). Thinking in levels

Мы обнаружили, что размышления о жизненном цикле слизевика являются эффективной отправной точкой для ознакомления учащихся с концепцией уровней. Слизевики вряд ли можно назвать самым гламурным существом, но, безусловно, одним из самых странных и интригующих. Пока еды много, клетки слизевика существуют независимо в виде крошечных амеб. Они передвигаются, питаются бактериями из окружающей среды и размножаются, просто разделившись на две части. Но когда еды становится мало, поведение слизевиков резко меняется. Клетки слизевика перестают размножаться и движутся навстречу друг другу, образуя кластер (так называемый «псевдоплазмодий») из десятков тысяч клеток. В этот момент клетки слизевика начинают действовать как единое целое. Вместо множества одноклеточных существ они действуют как одно многоклеточное существо. Он меняет форму и начинает ползать в поисках более благоприятной среды. Когда он находит место по душе, он превращается в стебель, на котором находится круглая масса спор. Эти споры в конечном итоге отделяются и распространяются по новой среде, начиная новый цикл в виде скопления клеток слизевика.

Чтобы привлечь студентов к изучению поведения слизевиков и, в более широком смысле, к изучению природы уровней, мы написали программу StarLogo, которая моделирует скопление слизевиков. процесс. Нас не интересовало моделирование каждой детали реального механизма слизи. Нашей целью было передать суть процесса агрегации с помощью максимально простого механизма. Наша программа StarLogo основана на наборе простых правил. Каждая черепаха управляется четырьмя правилами: одно заставляет черепаху двигаться, второе добавляет немного хаотичности движениям черепахи, третье заставляет черепаху испускать химический феромон, а четвертое заставляет черепаху «нюхать» феромон и сдаваться. направление, в котором химическое вещество наиболее сильное (то есть следовать градиенту феромона). Между тем, каждый участок контролируется двумя правилами: одно — заставить феромон из участка испаряться, а другое — распространить феромон на соседние участки. Каждое правило очень простое и требует не более двух строк кода StarLogo. Если мы начнем симуляцию с небольшим количеством черепах, ничего особенного не произойдет. За каждой черепахой мы видим слабые зеленые следы феромонов. Но эти следы быстро тускнеют по мере того, как феромон испаряется и рассеивается. Иногда черепаха какое-то время следует за другой черепахой, но быстро теряет след. В целом на экране присутствует слабая зеленая аура, указывающая на низкий уровень феромонов повсюду, но нет ярко-зеленых областей. Черепахи, кажется, бесцельно бродят, напоминая молекулы газа.

Но если мы добавим в симуляцию достаточное количество черепах, поведение резко изменится. Если черепах много, вероятность того, что несколько черепах будут бродить рядом друг с другом, выше. Когда это происходит, черепахи коллективно выбрасывают изрядное количество феромонов, образуя своего рода «лужу» феромонов (показанную на дисплее в виде ярко-зеленой капли). Черепахи в луже, следуя градиенту феромонов, скорее всего, останутся внутри лужи и выбрасывают туда еще больше феромонов, делая лужу еще больше и «мощнее». И по мере того, как лужа расширяется, все больше черепах, вероятно, «почувствуют» ее, начнут искать и выбрасывать еще больше феромонов. В результате образуется самоусиливающаяся петля положительной обратной связи:

1. чем больше феромонов в луже, тем больше черепах она привлекает, и (
2. чем больше черепах привлекает лужа, тем больше феромонов они в нее бросают.

• Распространяться

Модель

Обратите внимание

• при небольшой численности общности не образуются
• как сделать, чтобы образовалась только одно тело слизевиков?

NetLogo Web