Навигация

Численность популяции, ее колебания. Часть 2.

Главная
Об авторе
     Урочное:
Биология + компьютер:
         полные уроки по типам
Компьютерные программы
         на уроках
 Биософт                 Планшет
 Учебные рисунки и
           карикатуры
 Фотографии           Проекты
 Художественная
         литература на уроке
 Наглядные пособия
 Олимпиадное
 Книги и статьи
 ''Биология-10'':
         попытка учебника
 ''Игра и биология''
 ''Информационная
       культура и/или компьютер
       на уроках биологии''
 ИУМК ''Экология.          Конструирование
         биосферы''
 Проектно-ролевая игра
         ''Генная инженерия''
 ''Библейская генетика''
 Рабочие тетради
         по общей биологии
 Педагогическое
 Блог
Моделирование динамики популяций при помощи клеточных автоматов.

"Жизнь" ("Эволюция") Д. Конвея

Автором модели клеточной популяции, известной под названием "Жизнь", является английский математик Джон Хортон Конвей, работавший над теорией групп и клеточных автоматов. Динамика популяции в ней определяется только лишь процессами рождения и смерти клеток. Они рождаются - при благоприятном сочетании соответствующих факторов и умирают - когда условия их существования становятся невыносимыми. Условия рождения и умирания определяются исключительно взаимным расположением участников, а правила игры жестко определяют, где и когда происходят "рождение" и "смерть". Процесс эволюции происходит на бесконечном поле, разделенном на квадратики. Каждая ячейка игрового поля может находиться в двух состояниях - либо оставаться пустой, либо быть занятой живым организмом, клеткой. Смена поколений имитируется в виде "циклов жизни", или из последовательности шагов. Переход от предыдущего поколения к следующему происходит по правилам, которые применяются одновременно ко всем клеткам:

Выживание

Клетка  выживает и переходит в следующее поколение, если рядом с ней заняты другими клетками 2 или 3 соседние ячейки.

Гибель

Клетка  погибает в случае, если рядом занято более трех или менее двух соседних ячеек (в первом случае - от перенаселения, во втором - от одиночества).

Рождение

Если пустой квадрат поля граничит ровно с тремя ячейками, занятыми клетками, то в нем происходит рождение нового "организма", т.е. в следующем поколении на этой ячейке появится новая клетка. 

Эти правила относятся всегда к состоянию, которое существует к началу "сезона". Все изменения а популяции происходят как бы одновременно: определяется, на каких ячейках будет происходить рождение и какие клетки в следующей генерации вымрут. Затем происходит смерть и рождение клеток - старая популяция сменяется новой.
Любой объект, группа клеток, популяция, начав эволюционировать в начале Игры, в какой-то момент прекращает свою эволюцию. Проявляется это в следующем:

  • популяция может полностью выродиться (игровое поле очищается);

  • популяция может деградировать к некоторому сочетанию стабильных объектов;

  • популяция (кроме стабильных объектов) содержит также и пульсирующие объекты - периодически повторяет свое состояние, пульсирует.

Возможные варианты стабильных и пульсирующих популяций, а также структуры, способные мигрировать, и другие интересные аспекты эволюции клеточных популяций можно прочесть на сайте Истинного жизнелюба  В. Скляра. Или попробовать создать свою популяцию клеток на поле (:-(, не бесконечном) ниже. Нажатием левой кнопки мыши на квадратиках поля Вы создаете исходную популяцию, а потом
- запускаете ее процесс эволюции, нажав на "START" (эта же кнопка в левом верхнем углу после нажатия превратится в "STOP");
- наблюдаете процесс смены поколений шаг за шагом, поSTEPенно (нажимая на кнопку "STEP"). 
Успешной эволюции Вашим популяциям! 

Апплет с сайта http://lifegame.virtualave.net/java.htm. Разработка - Владимир Калашников

Программы, моделирующие эволюцию популяций клеток, можно скачать бесплатно c ряда сайтов, например, с сайта Антона Дубины, а также с http://freeware.ru/. Особенно удачна с точки зрения программирования версия Life 32 (536  кб в zip-архиве, хотя есть проблемы корректности работы из-под Windows 2000), есть также программа Win_Life (169  кб в zip-архиве).

На принципе клеточных автоматов в более сложной версии (ячейки по-прежнему зависят в своем поведении от состояния соседних клеток, но могут принимать разные значения, не только 1 или 0) строятся сложные интерактивные модели.
1. Волки, кролики и капуста ("Физикон", "Открытая коллекция. Биология, 9 класс", слева): по введенным в полях ввода характеристикам определяется изначальное количество и скорость размножения каждой из популяций, однако судьба отдельный "особей" зависит от соседей (см. разработку урока "Биотические факторы. Межпопуляционные взаимодействия", включающую работу с этой моделью).
2. Стратегия отношений с сородичами по Докинзу ("Квазар-Микро", ИУМК "Экология. Конструирование биосферы", справа): в модели множество сородичей представлено полем 20*20 клеточек, на котором происходит накопление ими жизненных бонусов и смена организмов. Организмы могут кооперироваться с соседями или отказываться от кооперации, при принятии решения они не знают, будут ли соседи кооперироваться с ними или отказываться, при этом организмы различаться по жизненным стратегиям (быть расположенными кооперироваться или отказываться от кооперации, быть злопамятными и т. п.).