نموذج قائم على العوامل في علم الأحياء

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

تُستخدم النماذج القائمة على العوامل في العديد من التطبيقات البيولوجية ، ويعود ذلك أساسًا إلى خصائص أسلوب النمذجة. تُعدّ النمذجة القائمة على العوامل منهجية نمذجة حاسوبية تعتمد على القواعد، وتركز على القواعد والتفاعلات بين المكونات الفردية أو العوامل في المصفوفة. [ 1 ] يهدف هذا الأسلوب إلى توليد مجموعات من مكونات النظام محل الاهتمام ومحاكاة تفاعلاتها في بيئة افتراضية. تبدأ النماذج القائمة على العوامل بقواعد سلوكية، وتسعى إلى إعادة بناء أنماط السلوك المرصودة من خلال التجسيد الحاسوبي لتلك القواعد السلوكية. [ 1 ]

صفات

تتضمن العديد من خصائص النماذج القائمة على العوامل المهمة للدراسات البيولوجية ما يلي:

بنية معيارية

يُحدد سلوك النموذج القائم على الوكلاء من خلال قواعد وكلائه. ويمكن تعديل قواعد الوكلاء الحالية أو إضافة وكلاء جدد دون الحاجة إلى تعديل النموذج بأكمله.

الخصائص الناشئة

من خلال استخدام العوامل الفردية التي تتفاعل محليًا وفقًا لقواعد السلوك، تُنتج النماذج القائمة على العوامل تآزرًا يؤدي إلى مستوى أعلى من الكل ذي سلوك أكثر تعقيدًا بكثير من سلوك كل عامل فردي. [ 2 ]

التجريد

إما باستبعاد التفاصيل غير الأساسية أو عند عدم توفر التفاصيل، يمكن بناء نماذج قائمة على الوكلاء في غياب معرفة كاملة بالنظام قيد الدراسة. وهذا يسمح بأن يكون النموذج بسيطًا وقابلًا للتحقق قدر الإمكان. [ 1 ]

العشوائية

تُظهر الأنظمة البيولوجية سلوكًا يبدو عشوائيًا. ويمكن تحديد احتمالية حدوث سلوك معين للنظام ككل، ثم ترجمتها إلى قواعد للعناصر الفردية. [ 1 ] [ 3 ]

نمذجة سلوك الأنواع المختلفة

في السياق البيئي، يمكن استخدام النمذجة القائمة على العوامل لنمذجة سلوك أنواع مختلفة مثل تفشي الحشرات، [ 4 ] والأنواع الغازية الأخرى، [ 5 ] وحشرات المن، [ 6 ] والتجمعات المائية، [ 7 ] وتطور سلوكيات البحث عن الطعام الفطرية. [ 8 ]

تفشي الحشرات في الغابات

استُخدمت نمذجة قائمة على العوامل لمحاكاة سلوك هجوم خنفساء الصنوبر الجبلية ( Dendroctonus ponderosae )، وذلك لتقييم كيفية تأثير سياسات الحصاد المختلفة على الخصائص المكانية للغابة وانتشار الإصابة بهذه الخنفساء بمرور الوقت. [ 4 ] تغطي الغابات حوالي ثلثي مساحة مقاطعة كولومبيا البريطانية في كندا ، وهي غابات تتعرض باستمرار لتغيرات بفعل الاضطرابات الطبيعية كالحرائق والأمراض وانتشار الحشرات. تُشكل موارد الغابات ما يقارب 15% من اقتصاد المقاطعة، لذا فإن الإصابات التي تسببها حشرات مثل خنفساء الصنوبر الجبلية قد يكون لها آثار كبيرة على الاقتصاد. تُعتبر تفشيات هذه الخنفساء اضطرابًا طبيعيًا كبيرًا قد يؤدي إلى نفوق واسع النطاق لأشجار الصنوبر اللودج بول ، وهي من أكثر أنواع الأشجار التجارية وفرة في كولومبيا البريطانية. وقد تسببت تفشيات الحشرات في نفوق الأشجار على مساحات تمتد لآلاف الكيلومترات المربعة.

صُمم النموذج القائم على العوامل، الذي طُوّر لهذه الدراسة، لمحاكاة سلوك هجوم خنفساء لحاء الصنوبر الجبلية (MPB) بهدف تقييم كيفية تأثير ممارسات الإدارة على التوزيع المكاني وأنماط أعداد الحشرات وتفضيلاتها للأشجار المُهاجمة والمُتضررة. وقد أخذ النموذج في الاعتبار ثلاث استراتيجيات إدارية: 1) عدم التدخل، 2) الحصاد الصحي، 3) الحصاد الإنقاذي. في هذا النموذج، يُمثل عامل الخنفساء سلوك خنفساء لحاء الصنوبر الجبلية، بينما يُمثل عامل الصنوبر بيئة الغابة وتطور صحة الأشجار، ويُمثل عامل إدارة الغابات استراتيجيات الإدارة المختلفة. يتبع عامل الخنفساء سلسلة من القواعد لتحديد مسار طيرانه داخل الغابة واختيار شجرة سليمة للهجوم والتغذية والتكاثر. عادةً ما تقتل خنفساء لحاء الصنوبر الجبلية الأشجار المضيفة في بيئتها الطبيعية من أجل التكاثر بنجاح. تتغذى يرقات الخنفساء على اللحاء الداخلي للأشجار المضيفة الناضجة، مما يؤدي في النهاية إلى موتها. ولكي تتكاثر الخنافس، يجب أن تكون الشجرة المضيفة كبيرة بما يكفي وذات لحاء داخلي سميك. تنتهي تفشيات خنفساء لحاء الصنوبر الجبلي عندما ينخفض ​​مخزون الغذاء إلى الحد الذي لا يكفي لإعالة الخنفساء، أو عندما تصبح الظروف المناخية غير مواتية لها. يحاكي برنامج "عامل الصنوبر" مقاومة الشجرة المضيفة، وتحديدًا شجرة الصنوبر اللودجبول، ويراقب حالة وخصائص كل مجموعة من الأشجار. في مرحلة ما من هجوم خنفساء لحاء الصنوبر الجبلي، يصل عدد الخنافس في كل شجرة إلى قدرة الشجرة المضيفة على التحمل. عند بلوغ هذه النقطة، تفرز الخنافس مادة كيميائية لتوجيه بعضها البعض لمهاجمة أشجار أخرى. يُحاكي برنامج "عامل الصنوبر" هذا السلوك من خلال حساب كثافة أعداد الخنافس في كل مجموعة، ثم يُمرر هذه المعلومات إلى برنامج "عوامل الخنافس". استُخدم برنامج "عامل إدارة الغابات"، على مستوى المجموعة، لمحاكاة ممارستين شائعتين في زراعة الغابات (التنظيف والإنقاذ)، بالإضافة إلى استراتيجية عدم تطبيق أي ممارسة إدارية. في استراتيجية حصاد التنظيف، إذا تجاوز معدل الإصابة في مجموعة ما عتبة محددة، تُزال هذه المجموعة، بالإضافة إلى أي مجموعة مجاورة سليمة، عندما يتجاوز متوسط ​​حجم الأشجار عتبة محددة. بالنسبة لاستراتيجية الحصاد الإنقاذي، تتم إزالة مجموعة من الأشجار حتى لو لم تكن تحت هجوم خنفساء لحاء الصنوبر إذا كان عدد محدد مسبقًا من مجموعات الأشجار المجاورة تحت هجوم خنفساء لحاء الصنوبر.

تناولت الدراسة منطقة حرجية في شمال وسط مقاطعة كولومبيا البريطانية، تبلغ مساحتها حوالي 560 هكتارًا . تتكون المنطقة بشكل أساسي من أشجار الصنوبر اللودج بول، مع نسب أقل من أشجار التنوب دوغلاس والتنوب الأبيض . تم تنفيذ النموذج لخمس فترات زمنية، تمثل كل فترة منها عامًا واحدًا. أُجريت ثلاثون محاكاة لكل استراتيجية من استراتيجيات إدارة الغابات المدروسة. أظهرت نتائج المحاكاة أنه عند عدم تطبيق أي استراتيجية إدارة، حدثت أعلى نسبة إصابة إجمالية بخنفساء لحاء الصنوبر الجبلي. كما أظهرت النتائج أن تقنية الحصاد الإنقاذي أدت إلى انخفاض بنسبة 25% في عدد أجزاء الغابة التي قضت عليها خنفساء لحاء الصنوبر الجبلي، مقابل انخفاض بنسبة 19% باستخدام استراتيجية الحصاد الصحي. باختصار، تُظهر النتائج أن النموذج يُمكن استخدامه كأداة لبناء سياسات إدارة الغابات.

الأنواع الغازية

تشير الأنواع الغازية إلى النباتات والحيوانات "غير الأصلية" التي تؤثر سلبًا على البيئات التي تغزوها. وقد يكون لإدخال الأنواع الغازية آثار بيئية واقتصادية وإيكولوجية. ويمكن تطوير نموذج قائم على العوامل لتقييم آثار أنظمة الإنفاذ الخاصة بالموانئ والمستوردين على سلعة زراعية معينة تُشكل خطر الأنواع الغازية، وذلك بهدف تحسين تخصيص موارد الإنفاذ وتوفير أداة لصناع السياسات للإجابة عن المزيد من الأسئلة المتعلقة بإنفاذ الحدود وخطر الأنواع الغازية. [ 5 ]

اعتمد النموذج القائم على العوامل، الذي طُوّر للدراسة، على ثلاثة أنواع من العوامل: الأنواع الغازية، والمستوردون، وعناصر إنفاذ القانون على الحدود. في هذا النموذج، تقتصر قدرة الأنواع الغازية على التفاعل مع بيئتها المحيطة، بينما يتمتع المستوردون وعناصر إنفاذ القانون على الحدود بصلاحية اتخاذ قراراتهم الخاصة بناءً على أهدافهم وغاياتهم. تمتلك الأنواع الغازية القدرة على تحديد ما إذا كانت قد انتشرت في منطقة تحتوي على المحصول المستهدف، والانتشار إلى قطع الأراضي المجاورة لهذا المحصول. يتضمن النموذج خرائط احتمالية مكانية تُستخدم لتحديد ما إذا كانت الأنواع الغازية ستستوطن المنطقة. ركزت الدراسة على شحنات البروكلي من المكسيك إلى كاليفورنيا عبر موانئ الدخول في كاليكسيكو وأوتاي ميسا . وكانت خنفساء البراغيث الصليبية ( Phyllotreta cruciferae ) هي النوع الغازي المُختار . تُعد كاليفورنيا أكبر منتج للبروكلي في الولايات المتحدة، ولذا فإن المخاوف والتأثير المحتمل لدخول الأنواع الغازية عبر موانئ الدخول المختارة كبيران. تضمن النموذج أيضًا دالة ضرر مكانية صريحة استُخدمت لمحاكاة أضرار الأنواع الغازية بطريقة واقعية. يوفر النمذجة القائمة على العوامل القدرة على تحليل سلوك جهات فاعلة غير متجانسة ، لذا تم النظر في ثلاثة أنواع مختلفة من المستوردين تختلف من حيث معدلات إصابة السلع (مرتفعة، متوسطة، ومنخفضة)، وخيارات المعالجة المسبقة، وتكلفة النقل إلى الموانئ. قدم النموذج تنبؤات بشأن معدلات التفتيش لكل ميناء دخول ولكل مستورد، وحدد معدل نجاح تفتيش موظفي الحدود، ليس فقط لكل ميناء ومستورد، بل أيضًا لكل مستوى محتمل من مستويات المعالجة المسبقة (بدون معالجة مسبقة، المستوى الأول، المستوى الثاني، والمستوى الثالث).

تم تطبيق النموذج وتشغيله باستخدام برنامج NetLogo ، الإصدار 3.1.5. شمل التحليل معلومات مكانية حول مواقع موانئ الدخول والطرق السريعة الرئيسية وخطوط النقل، بالإضافة إلى خريطة لمحاصيل البروكلي في كاليفورنيا مُدمجة مع خرائط احتمالية انتشار الأنواع الغازية. استُخدم برنامج BehaviorSpace [ 9 ] ، وهو أداة برمجية مُدمجة مع NetLogo، لاختبار تأثيرات مختلف المعايير (مثل قيمة الشحنة، وتكلفة المعالجة المسبقة) في النموذج. في المتوسط، تم حساب 100 تكرار عند كل مستوى من مستويات المعيار المُستخدم، حيث يُمثل كل تكرار تشغيلًا لمدة عام واحد.

أظهرت نتائج النموذج أنه مع زيادة جهود التفتيش، يُولي المستوردون عناية أكبر، أو معالجة مسبقة للشحنات، مما يُقلل من إجمالي الخسائر المالية لمحاصيل كاليفورنيا. كما أظهر النموذج أن المستوردين يستجيبون لزيادة جهود التفتيش بطرق مختلفة؛ فبعضهم استجاب بزيادة جهود المعالجة المسبقة، بينما اختار آخرون تجنب الشحن إلى ميناء معين، أو البحث عن ميناء بديل. ومن أهم نتائج النموذج أنه يُمكنه توضيح أو تقديم توصيات لصناع السياسات حول النقطة التي قد يبدأ عندها المستوردون بالبحث عن موانئ بديلة، مثل معدل التفتيش الذي يُتيح لهم ذلك، والمستوردون المرتبطون بمستوى معين من مخاطر الآفات أو تكاليف النقل الذين يُرجح أن يُجروا هذه التغييرات. ومن النتائج الأخرى المثيرة للاهتمام للنموذج أنه عندما لم يتمكن المفتشون من تعلم كيفية التعامل مع مستورد لديه شحنات مصابة سابقًا، قُدّرت الأضرار التي لحقت بمحاصيل البروكلي في كاليفورنيا بنحو 150 مليون دولار. ومع ذلك، عندما تمكن المفتشون من زيادة معدلات التفتيش على المستوردين الذين لديهم انتهاكات سابقة، انخفضت الأضرار التي لحقت بمحاصيل البروكلي في كاليفورنيا بنحو 12%. يُقدّم هذا النموذج آليةً للتنبؤ بدخول الأنواع الغازية عبر الواردات الزراعية والأضرار المحتملة التي قد تُسببها. وبنفس القدر من الأهمية، يُزوّد ​​النموذج صانعي السياسات وهيئات مراقبة الحدود بأداةٍ يُمكن استخدامها لتحديد أفضل تخصيص لموارد التفتيش.

ديناميكيات تجمعات حشرات المن

يمكن استخدام نموذج قائم على العوامل لدراسة ديناميكيات أعداد حشرة المنّ Rhopalosiphum padi ، التي تصيب أشجار الكرز والشوفان . [ 6 ] أُجريت الدراسة في منطقة مساحتها خمسة كيلومترات مربعة في شمال يوركشاير ، وهي مقاطعة تقع في منطقة يوركشاير وهامبر بإنجلترا . تم اختيار أسلوب النمذجة القائم على العوامل لتركيزه على سلوك العوامل الفردية بدلاً من التركيز على المجموعة ككل. يقترح الباحثون أن النماذج التقليدية التي تركز على المجموعات ككل لا تأخذ في الحسبان تعقيد التفاعلات المتزامنة في النظم البيئية ، مثل التكاثر والتنافس على الموارد ، والتي قد يكون لها تأثيرات كبيرة على اتجاهات أعداد الحشرات. كما يتيح أسلوب النمذجة القائم على العوامل للمصممين إنشاء نماذج أكثر عمومية ووحداتية، تتميز بمرونة أكبر وسهولة في الصيانة مقارنةً بأساليب النمذجة التي تركز على المجموعة ككل. تشمل المزايا الأخرى المقترحة للنماذج القائمة على الوكلاء التمثيل الواقعي لظاهرة ذات أهمية بسبب تفاعلات مجموعة من الوكلاء المستقلين، والقدرة على دمج المتغيرات الكمية والمعادلات التفاضلية والسلوك القائم على القواعد في نفس النموذج.

تم تطبيق النموذج في حزمة أدوات النمذجة Repast باستخدام لغة برمجة JAVA . تم تشغيل النموذج على فترات زمنية يومية، مع التركيز على فصلي الخريف والشتاء. شملت بيانات الإدخال بيانات الموائل، ودرجات الحرارة الدنيا والقصوى والمتوسطة اليومية، وسرعة الرياح واتجاهها. بالنسبة لحشرات المن، تم أخذ العمر والموقع والشكل ( مجنح أو عديم الأجنحة ) في الاعتبار. تراوح العمر من 0.00 إلى 2.00، حيث يمثل 1.00 نقطة بلوغ الحشرة. يعتمد تكاثر حشرات المن على العمر والشكل ودرجات الحرارة الدنيا والقصوى والمتوسطة اليومية. بمجرد فقس الحوريات ، تبقى في نفس موقع آبائها. يرتبط شكل الحوريات بكثافة التجمعات وجودة العناصر الغذائية في مصدر غذاء المن . كما أخذ النموذج في الاعتبار معدل الوفيات بين حشرات المن، والذي يعتمد على العمر ودرجات الحرارة وجودة الموائل. تتحدد سرعة تقدم حشرة المن في العمر بدرجات الحرارة الدنيا والقصوى والمتوسطة اليومية. اعتبر النموذج أن حركة حشرات المن تحدث في مرحلتين منفصلتين، مرحلة الهجرة ومرحلة البحث عن الطعام، وكلاهما يؤثر على التوزيع السكاني الإجمالي .

بدأت الدراسة عملية المحاكاة بعشرة آلاف حشرة منّ مجنّحة موزعة على شبكة من الخلايا طول كل منها 25 مترًا. وأظهرت نتائج المحاكاة وجود ذروتين رئيسيتين في أعداد الحشرات، الأولى في أوائل الخريف نتيجة تدفق أعداد كبيرة من الحشرات المجنّحة المهاجرة، والثانية نتيجة انخفاض درجات الحرارة لاحقًا في العام وقلة أعداد الحشرات المهاجرة. ويهدف الباحثون في نهاية المطاف إلى تكييف هذا النموذج لمحاكاة أنظمة بيئية وأنواع حيوانية أوسع.

ديناميات التجمعات السكانية المائية

يُقترح نموذج لدراسة ديناميكيات التجمعات السكانية لنوعين من النباتات المائية الكبيرة . [ 7 ] تلعب النباتات المائية دورًا حيويًا في النظم البيئية التي تعيش فيها، إذ توفر المأوى والغذاء للكائنات المائية الأخرى. مع ذلك، قد يكون لها أيضًا آثار ضارة، مثل النمو المفرط للنباتات غير المحلية أو التخثث في البحيرات التي تعيش فيها، مما يؤدي إلى نقص الأكسجين . ونظرًا لهذه الاحتمالات، من المهم فهم كيفية تأثير البيئة والكائنات الحية الأخرى على نمو هذه النباتات المائية، وذلك للتخفيف من هذه الآثار الضارة أو الوقاية منها.

يُعدّ نبات بوتاموجيتون بكتيناتوس أحد النباتات المائية في النموذج. وهو نبات حولي النمو يمتص العناصر الغذائية من التربة ويتكاثر عن طريق الدرنات الجذرية والجذامير. لا يتأثر تكاثر هذا النبات بتدفق المياه، ولكنه قد يتأثر بالحيوانات والنباتات الأخرى والبشر. يمكن أن يصل ارتفاع النبات إلى مترين، وهو ما يُعدّ شرطًا مُحددًا لأنه لا يستطيع النمو إلا في أعماق مائية مُعينة، وتتركز معظم كتلته الحيوية في الجزء العلوي من النبات لامتصاص أكبر قدر ممكن من ضوء الشمس. أما النبات الثاني في النموذج فهو نبات كارا أسبيرا ، وهو أيضًا نبات مائي ذو جذور. يتمثل أحد الاختلافات الرئيسية بين النباتين في أن الأخير يتكاثر باستخدام بذور صغيرة جدًا تُسمى الأبواغ البيضية والبصيلات، والتي تنتشر عبر تدفق المياه. لا يتجاوز طول نبات كارا أسبيرا 20سم، ويتطلب ظروف إضاءة جيدة جدًا بالإضافة إلى جودة مياه عالية، وكلها عوامل مُحددة لنمو النبات. يتميز نبات Chara aspera بمعدل نمو أعلى من نبات Potamogeton pectinatus ، ولكنه يتمتع بدورة حياة أقصر بكثير. وقد أخذ النموذج في الاعتبار العوامل البيئية والحيوانية. شملت العوامل البيئية التي تم أخذها في الاعتبار تدفق المياه، ونفاذية الضوء، وعمق الماء. وعلى الرغم من أن ظروف التدفق ليست ذات أهمية كبيرة لنبات Potamogeton pectinatus ، إلا أنها تؤثر بشكل مباشر على انتشار بذور Chara aspera . إذ تؤثر ظروف التدفق على اتجاه ومسافة انتشار البذور. كما تؤثر نفاذية الضوء بشكل كبير على Chara aspera ، حيث يتطلب ذلك جودة مياه عالية. ويُعد معامل الامتصاص (EC) مقياسًا لنفاذية الضوء في الماء. ومع زيادة معامل الامتصاص، ينخفض ​​معدل نمو Chara aspera . وأخيرًا، يُعد العمق عاملاً مهمًا لكلا النوعين من النباتات. فمع زيادة عمق الماء، تقل نفاذية الضوء، مما يجعل من الصعب على أي من النوعين البقاء على قيد الحياة على أعماق تتجاوز حدًا معينًا. 

كانت منطقة الاهتمام في النموذج بحيرة فيلوه في هولندا . وهي بحيرة ضحلة نسبيًا، يبلغ متوسط ​​عمقها 1.55 مترًا، وتغطي مساحة 30 كيلومترًا مربعًا تقريبًا. تعاني البحيرة من إجهاد التخثث، مما يعني أن المغذيات ليست عاملًا محددًا لأي من الكائنات النباتية في النموذج. تم تحديد الموقع الأولي للكائنات النباتية في النموذج عشوائيًا. تم تطبيق النموذج باستخدام حزمة برامج Repast ، ونُفِّذ لمحاكاة نمو وتحلل نوعي الكائنات النباتية، مع مراعاة العوامل البيئية التي نوقشت سابقًا، بالإضافة إلى التفاعلات مع الكائنات النباتية الأخرى. تُظهر نتائج تنفيذ النموذج أن التوزيع المكاني لنبات Chara aspera يُشابه إلى حد كبير خرائط نظم المعلومات الجغرافية للتوزيعات المرصودة. ويخلص مؤلفو الدراسة إلى أن قواعد الكائنات التي طُوِّرت في الدراسة مناسبة لمحاكاة النمط المكاني لنمو النباتات المائية في هذه البحيرة تحديدًا.

النمذجة القائمة على الخلايا

يُستخدم نمذجة الخلايا القائمة على العوامل بشكل متزايد لنمذجة سلوك الخلايا الفردية داخل الأنسجة. تُقسم هذه النماذج إلى نماذج داخل الشبكة ونماذج خارج الشبكة. تشمل النماذج داخل الشبكة نماذج الأوتوماتا الخلوية ونموذج بوتس الخلوي ، بينما تشمل النماذج خارج الشبكة نماذج مركزية [ 10 ] ، ونماذج رأسية [ 11 ] ، ونماذج طريقة الحدود المغمورة [ 12 ] ، ونماذج قائمة على طريقة العناصر دون الخلوية [ 13 ] . من أمثلة التطبيقات المحددة لنمذجة الخلايا:

يؤدي تجمع البكتيريا إلى تكوين الأغشية الحيوية

يمكن استخدام نموذج قائم على العوامل لمحاكاة استعمار البكتيريا للأسطح، مما يؤدي إلى تكوين الأغشية الحيوية . [ 14 ] يهدف برنامج iDynoMiCS (محاكي ديناميكيات المجتمعات الميكروبية الفردية) إلى محاكاة نمو تجمعات ومجتمعات الميكروبات الفردية (كائنات وحيدة الخلية صغيرة الحجم مثل البكتيريا والعتائق والطلائعيات ) التي تتنافس على المساحة والموارد في الأغشية الحيوية المغمورة في البيئات المائية. يمكن استخدام iDynoMiCS لفهم كيفية مساهمة ديناميكيات الميكروبات الفردية في ظهور خصائص وسلوكيات على مستوى التجمعات أو الأغشية الحيوية. يُعد فحص هذه التكوينات مهمًا في دراسات التربة والأنهار، ودراسات صحة الأسنان، والأمراض المعدية، وأبحاث العدوى المرتبطة بزراعة الأجهزة الطبية، وفهم التآكل الحيوي. [ 15 ] تم استخدام نموذج قائم على العوامل لاستكشاف كيفية مساهمة كل بكتيريا فردية، من نوع معين، في نمو الغشاء الحيوي. تناولت الدراسة الأولية لنموذج iDynoMiCS كيفية تأثير تقلبات توافر الأكسجين في البيئة على تنوع وتكوين مجتمع من البكتيريا المختزلة للنترات ، والتي تحفز مسار نزع النتروجين في ظل ظروف نقص الأكسجين أو انعدامه. [ 14 ] تستكشف الدراسة فرضية مفادها أن وجود استراتيجيات متنوعة لنزع النتروجين في بيئة ما يمكن تفسيره بافتراض أن الاستجابة الأسرع تتطلب تكلفة أعلى. يشير النموذج القائم على العوامل إلى أنه إذا أمكن تبديل المسارات الأيضية دون تكلفة، فإن سرعة التبديل تكون أفضل. ومع ذلك، عندما تتطلب سرعة التبديل تكلفة أعلى، توجد استراتيجية ذات زمن استجابة أمثل لأي تردد للتقلبات البيئية. يشير هذا إلى أن أنواعًا مختلفة من استراتيجيات نزع النتروجين تتفوق في بيئات بيولوجية مختلفة. منذ هذا التقديم، تتزايد تطبيقات iDynoMiCS باستمرار، ومن الأمثلة على ذلك دراسة حديثة لغزو البلازميدات في الأغشية الحيوية. [ 16 ]استكشفت هذه الدراسة فرضية أن ضعف انتشار البلازميد في الأغشية الحيوية ناتج عن اعتماد الاقتران على معدل نمو العامل المانح للبلازميد. وتشير الدراسة، من خلال المحاكاة، إلى أن غزو البلازميد للغشاء الحيوي المستقر يكون محدودًا فقط عندما يعتمد انتقال البلازميد على النمو. وقد استُخدمت تقنيات تحليل الحساسية التي تُشير إلى أن المعايير المتعلقة بالتوقيت (الفترة الزمنية الفاصلة قبل انتقال البلازميد بين العوامل) والمدى المكاني أكثر أهمية لغزو البلازميد للغشاء الحيوي من معدل نمو العامل المستقبل أو احتمالية فقدان الانفصال. ولا تزال تُنشر أمثلة أخرى تستخدم برنامج iDynoMiCS، بما في ذلك استخدامه في نمذجة غشاء حيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية مع ركيزة الجلوكوز. [ 17 ]

طُوِّر برنامج iDynoMiCS بواسطة فريق دولي من الباحثين لتوفير منصة مشتركة لتطوير جميع النماذج الفردية للأغشية الحيوية الميكروبية وما شابهها. كان النموذج في الأصل ثمرة سنوات من العمل الدؤوب لكل من لوران لاردون، وبرايان ميركي، ويان-أولريش كريفت، بمساهمات برمجية من جواو خافيير. وبفضل تمويل إضافي من المركز الوطني لاستبدال الحيوانات وتحسينها وتقليل استخدامها في البحوث (NC3Rs) عام 2013، يستمر تطوير iDynoMiCS كأداة للاستكشاف البيولوجي بوتيرة متسارعة، مع إضافة ميزات جديدة عند الحاجة. ومنذ البداية، التزم الفريق بإصدار iDynoMiCS كمنصة مفتوحة المصدر ، مشجعًا المتعاونين على تطوير وظائف إضافية يمكن دمجها في الإصدار المستقر التالي. تم تنفيذ iDynoMiCS بلغة برمجة جافا ، مع توفير نصوص برمجية بلغة MATLAB وR لتحليل النتائج. يمكن عرض هياكل الأغشية الحيوية التي تتشكل في المحاكاة كفيلم باستخدام ملفات POV-Ray التي يتم إنشاؤها أثناء تشغيل المحاكاة.

زيادة الخلايا الجذعية في الثدي بعد التعرض للإشعاع أثناء البلوغ

أظهرت التجارب أن تعريض الغدد الثديية في سن البلوغ للإشعاع المؤين يؤدي إلى زيادة نسبة الخلايا الجذعية الثديية في الغدة. [ 18 ] وهذا أمر بالغ الأهمية لأن الخلايا الجذعية تُعتبر أهدافًا رئيسية لبدء السرطان بفعل الإشعاع المؤين، نظرًا لقدرتها العالية على التكاثر على المدى الطويل، واستمرار الطفرات الوراثية في العديد من الخلايا الوليدة. بالإضافة إلى ذلك، تُشير بيانات علم الأوبئة إلى أن الأطفال المعرضين للإشعاع المؤين أكثر عرضة للإصابة بسرطان الثدي من البالغين. [ 19 ] [ 20 ] وقد أثارت هذه التجارب تساؤلات حول الآلية الكامنة وراء زيادة الخلايا الجذعية الثديية بعد التعرض للإشعاع، والتي يُمكن استكشافها من خلال نموذجين قائمين على العوامل، يُستخدمان بالتوازي مع تجارب حية ومخبرية ، لتقييم تعطيل الخلايا، وفقدان التمايز عبر التحول الظهاري-الميزانشيمي (EMT)، والتجديد الذاتي (الانقسام المتماثل)، كآليات يُمكن من خلالها للإشعاع أن يزيد من الخلايا الجذعية. [ 21 ]

يُعدّ النموذج الأول القائم على العوامل نموذجًا متعدد المقاييس لتطور الغدة الثديية، بدءًا من شجرة قنوات ثديية بدائية عند بداية البلوغ (أثناء التكاثر النشط) وصولًا إلى غدة ثديية كاملة عند البلوغ (عندما يكون التكاثر ضئيلًا). يتكون النموذج من ملايين العوامل، حيث يُمثل كل عامل خلية جذعية ثديية، أو خلية سلفية، أو خلية متمايزة في الثدي. أُجريت عمليات المحاكاة أولًا على حاسوب لورنسيوم العملاق التابع لمختبر لورانس بيركلي الوطني لضبط معلمات النموذج ومقارنته بمجموعة متنوعة من قياسات الغدة الثديية الحية . ثم استُخدم النموذج لاختبار ثلاث آليات مختلفة لتحديد أيها يُؤدي إلى نتائج محاكاة تُطابق التجارب الحية بشكل أفضل. والمثير للدهشة أن تعطيل الخلايا الناتج عن الإشعاع بالموت لم يُسهم في زيادة تردد الخلايا الجذعية بشكل مستقل عن الجرعة المُعطاة في النموذج. بل كشف النموذج أن الجمع بين زيادة التجديد الذاتي وتكاثر الخلايا أثناء البلوغ أدى إلى زيادة الخلايا الجذعية. على النقيض من ذلك، أظهر النموذج أن التحول الظهاري-اللحمي يزيد من تردد الخلايا الجذعية ليس فقط في الغدد الثديية لدى المراهقين، بل أيضًا في الغدد الثديية لدى البالغين. إلا أن هذه التوقعات الأخيرة تناقضت مع البيانات الحيوية ؛ إذ لم يؤدِ تشعيع الغدد الثديية لدى البالغين إلى زيادة تردد الخلايا الجذعية. ولذلك، أشارت هذه المحاكاة إلى أن التجديد الذاتي هو الآلية الأساسية وراء زيادة الخلايا الجذعية في مرحلة البلوغ.

لتقييم آلية التجديد الذاتي بشكلٍ أعمق، تم إنشاء نموذج ثانٍ قائم على العوامل لمحاكاة ديناميكيات نمو خلايا الظهارة الثديية البشرية (التي تحتوي على مجموعات فرعية من الخلايا الجذعية/الخلايا السلفية والخلايا المتمايزة) في المختبر بعد التعرض للإشعاع. وبمقارنة نتائج المحاكاة مع بيانات التجارب المختبرية ، أكد النموذج الثاني القائم على العوامل أن الخلايا يجب أن تتكاثر بشكلٍ كبير لملاحظة زيادة في أعداد الخلايا الجذعية/الخلايا السلفية تعتمد على التجديد الذاتي بعد التعرض للإشعاع.

يُسهم الجمع بين النموذجين القائمين على العوامل والتجارب المخبرية والحيوية في فهم سبب ارتفاع خطر الإصابة بسرطان الثدي لدى الأطفال المعرضين للإشعاع المؤين مقارنةً بالبالغين. وتدعم هذه النتائج مجتمعةً فرضية أن الثدي يكون عرضةً لزيادة مؤقتة في قدرة الخلايا الجذعية على التجدد الذاتي عند التعرض للإشعاع خلال فترة البلوغ، مما يُهيئ أنسجة الثدي لدى البالغين للإصابة بالسرطان بعد عقود.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 آن جي، مي كيو، دوتا-موسكاتو جيه، فودوفوتز واي (2009). "النماذج القائمة على العوامل في بيولوجيا الأنظمة الانتقالية" . مراجعات وايلي متعددة التخصصات. بيولوجيا الأنظمة والطب . 1 (2): 159-171 . doi : 10.1002/wsbm.45 . PMC 3640333. PMID 20835989 .  
  2. ↑ بوليتوبولوس الأول (11 سبتمبر 2007). "مراجعة وتحليل النماذج القائمة على العوامل في علم الأحياء" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 27 يوليو 2011.
  3. ↑ غارسيا إم آر، فاسكيز جيه إيه، تيكسيرا آي جي، ألونسو إيه إيه (2018). "النمذجة العشوائية الفردية لنمو البكتيريا وانقسامها باستخدام قياس التدفق الخلوي" . مجلة فرونتيرز في علم الأحياء الدقيقة . 8 : 2626. doi : 10.3389/fmicb.2017.02626 . PMC 5760514. PMID 29354110 .  
  4. 1 2 بيريز إل، دراغوسيفيتش إس (2010). استكشاف ممارسات إدارة الغابات باستخدام نموذج قائم على العوامل لغزو الحشرات للغابات (ملف PDF) . المؤتمر الدولي لعام 2010 حول نمذجة البرمجيات البيئية. أوتاوا، كندا: الجمعية الدولية لنمذجة البرمجيات البيئية (iEMSs). مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 8 أكتوبر 2015. تم الاطلاع عليه في 25 يوليو 2016 .
  5. 1 2 Ameden HA, Boxall PC, Cash SB, Vickers DA (2009). "نموذج قائم على الوكلاء لإنفاذ الحدود لإدارة الأنواع الغازية". المجلة الكندية للاقتصاد الزراعي . 57 (4): 481-496 . doi : 10.1111/j.1744-7976.2009.01166.x .
  6. 1 2 إيفانز أ، مورغان د، باري هـ (2004). ديناميكيات تجمعات حشرات المن في المناظر الطبيعية الزراعية: نموذج محاكاة قائم على العوامل (ملف PDF) . المؤتمر الدولي لعام 2010 حول نمذجة البرمجيات البيئية. أوسنابروك، ألمانيا: الجمعية الدولية لنمذجة البرمجيات البيئية (iEMSs). مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 6 أكتوبر 2008. تم الاطلاع عليه في 25 يوليو 2016 .
  7. 1 2 لي هـ، ماينيت أ، تشي هـ (2009). استكشاف أنظمة متعددة العوامل في نمذجة ديناميكيات التجمعات المائية . وقائع المؤتمر الدولي الثامن حول المعلوماتية المائية. تشيلي.
  8. ↑ ليانغ، تونغ؛ برينكمان، برادن أ. و. (14 مارس 2022). "تطور الاستراتيجيات السلوكية الفطرية من خلال ديناميكيات التنافس السكاني" . مجلة PLOS لعلم الأحياء الحاسوبي . 18 (3) e1009934. doi : 10.1371/journal.pcbi.1009934 . ISSN 1553-7358 . PMC 8947601. PMID 35286315 .   
  9. ↑ دليل مساحة السلوك
  10. ↑ أوزبورن، جيه إم، فليتشر، إيه جي، بيت-فرانسيس، جيه إم، مايني، بي كيه، جافاغان، دي جيه (فبراير 2017). "مقارنة المناهج الفردية لنمذجة التنظيم الذاتي للأنسجة متعددة الخلايا" . مجلة PLOS لعلم الأحياء الحاسوبي . 13 (2) e1005387. Bibcode : 2017PLSCB..13E5387O . doi : 10.1371/journal.pcbi.1005387 . PMC 5330541. PMID 28192427 .  
  11. ↑ ميتزكار ج، وانغ ي، هايلاند ر، ماكلين ب (فبراير 2019). "مراجعة للنمذجة الحاسوبية القائمة على الخلايا في بيولوجيا السرطان" . مجلة المعلوماتية السريرية للسرطان . 3 (3): 1-13 . doi : 10.1200/CCI.18.00069 . PMC 6584763. PMID 30715927 .  
  12. ↑ رينياك، ك. أ. (يوليو 2007). "إطار حدودي مغمور لنمذجة نمو الخلايا الفردية: تطبيق على التطور المبكر للأورام". مجلة البيولوجيا النظرية . 247 (1): 186-204 . Bibcode : 2007JThBi.247..186R . doi : 10.1016/j.jtbi.2007.02.019 . PMID 17416390 . 
  13. ↑ نيومان، تي جيه (2007). "نمذجة التراكيب متعددة الخلايا باستخدام نموذج العنصر دون الخلوي". نماذج الخلية الواحدة في علم الأحياء والطب . الرياضيات وعلوم الحياة في تفاعل. بازل: بيركهاوزر بازل. ص 221-239 . doi : 10.1007/978-3-7643-8123-3_10 . ISBN  978-3-7643-8101-1.
  14. 1 2 لاردون إل إيه، ميركي بي في، مارتينز إس، دوتش إيه، بيشيوريانو سي، كريفت جيه يو، سميتس بي إف (سبتمبر 2011). "iDynoMiCS: الجيل التالي من نمذجة الأغشية الحيوية الفردية". علم الأحياء الدقيقة البيئية . 13 (9): 2416-2434 . doi : 10.1111/j.1462-2920.2011.02414.x . PMID 21410622. S2CID 19524967 .  
  15. ^ Wanner O، Eberl H، Morgenroth E، Noguera D، Picioreanu C، Rittmann B، van Loosdrecht M (2006). النمذجة الرياضية للأغشية الحيوية . لندن: نشر IWA.
  16. ↑ ميركي بي في، لاردون إل إيه، سيوان جي إم، كريفت جي يو، سميتس بي إف (سبتمبر 2011). "اعتماد الاقتران على النمو يفسر محدودية غزو البلازميد في الأغشية الحيوية: دراسة نمذجة فردية". علم الأحياء الدقيقة البيئية . 13 (9): 2435-2452 . doi : 10.1111/j.1462-2920.2011.02535.x . PMID 21906217 . 
  17. ↑ ستيفنز إم جيه، كليمنت بي جيه، وينتورث سي دي (2011). نمذجة فردية لغشاء حيوي من بكتيريا الزائفة الزنجارية باستخدام ركيزة الجلوكوز . اجتماع خريف 2011 لقسم البراري التابع للجمعية الفيزيائية الأمريكية، 10-12 نوفمبر 2011، الملخص رقم E1.006 . الجمعية الفيزيائية الأمريكية.
  18. ↑ نغوين دي إتش، أوكيتش-راباه إتش إيه، إيلا-بوتشاكا آي، غيير إف سي، ريس-فيلو جيه إس، ماو جيه إتش، وآخرون . (مايو 2011). "يؤثر الإشعاع على البيئة الدقيقة للورم، مما يؤثر على التسرطن في الثدي من خلال آليات متميزة تقلل من فترة كمون السرطان وتؤثر على نوع الورم" . خلية السرطان . 19 (5): 640-651 . doi : 10.1016/j.ccr.2011.03.011 . PMC 3110779. PMID 21575864 .   
  19. ↑ بريستون دي إل، ماتسون إيه، هولمبرغ إي، شور آر، هيلدريث إن جي، بويس جيه دي (أغسطس 2002). "تأثيرات الإشعاع على خطر الإصابة بسرطان الثدي: تحليل مجمع لثماني مجموعات". بحوث الإشعاع . 158 (2): 220-235 . Bibcode : 2002RadR..158..220P . doi : 10.1667/0033-7587(2002)158 [ 0220 :reobcr ] 2.0.co ; 2. PMID 12105993. S2CID 30505427 .  
  20. ↑ ميرتنز إيه سي، ليو كيو، نيغليا جيه بي، واسيلفسكي كيه، ليسنرينغ دبليو، أرمسترونغ جي تي، وآخرون . (أكتوبر 2008). "الوفيات المتأخرة بحسب السبب بين الناجين من سرطان الطفولة لمدة 5 سنوات: دراسة الناجين من سرطان الطفولة" . مجلة المعهد الوطني للسرطان . 100 (19): 1368-1379 . doi : 10.1093/jnci/djn310 . PMC 2556702. PMID 18812549 .   
  21. ↑ تانغ جيه، فرنانديز-غارسيا آي، فيجاياكومار إس، مارتينيز-رويس إتش، إيلا-بوتشاكا آي، نغوين دي إتش، وآخرون (مارس 2014). "يؤدي تشعيع الغدة الثديية لدى اليافعين، وليس البالغين، إلى زيادة التجديد الذاتي للخلايا الجذعية والأورام السلبية لمستقبلات الإستروجين" . الخلايا الجذعية . 32 (3): 649-661 . doi : 10.1002/stem.1533 . PMID 24038768. S2CID 32979016 .