Modelización basada en agentes: canibalismo microbiano

Abstract

[ES] En un sistema biológico, las interacciones entre los organismos pueden ser interespecíficas, cuando se relacionan organismos de la comunidad de diferente especie, o intraespecíficas. Estas interacciones, que pueden ser favorables, desfavorables o indiferentes para el crecimiento, la supervivencia, y/o la reproducción de los organismos, pueden determinar el área de distribución y la situaci´on territorial de la especie, o tener un papel esencial en la evoluci´on temporal de las poblaciones. Amensalismo, comensalismo, depredación, mutualismo, parasitismo, competencia y canibalismo son diferentes tipos de interacciones. Estas pueden establecerse a lo largo del tiempo y en el espacio, siendo normalmente su ´ámbito de actuación local por proximidad o por contacto directo. Se pueden considerar como propias de las especies o como comportamientos probables, que se pueden dar o no, seg´un como sean las condiciones ambientales en las que se encuentren los organismos. Todo esto hace que la modelizaci´on matemática m´as tradicional sufra de muchas limitaciones en este contexto, tanto para el tratamiento de las discontinuidades en el espacio y el tiempo, como para las adaptaciones o cambios repentinos que pueden sufrir los organismos como respuesta a los diversos factores a los que se puedan ver expuestos. El enfoque o perspectiva de los modelos computacionales basados en agentes (ABM) puede considerarse interesante en la representación de estas interacciones. El propósito de este trabajo es mostrar cómo se puede investigar y tratar con interacciones biológicas a través de ABM. En primer lugar se presentan algunos ejemplos de ABM implementados en un entorno de programación de acceso abierto y disponible desde la web, la plataforma multiagente NetLogo. A continuaci´on, escogida una interacci´on intraespec´ıfica particular, como es el canibalismo microbiano que exhibe la bacteria Bacillus subtilis, se presenta el caso de estudio, con el desarrollo del dise˜no conceptual del ABM para su representación, su implementación en NetLogo, y un análisis de sensibilidad unifactorial de alguno de sus par´ametros para explorar la respuesta del sistema virtual bajo distintos escenarios de simulaci´on. El simulador obtenido ser´a manejado en el entorno académico (su origen fue un Trabajo Final de Grado de la titulación Ingeniería de Sistemas Biológicos de la Universitat Politècnica de Catalunya), será útil tanto en la docencia como para la realización de investigaciones vinculadas con estas interacciones microbianas, abriendo expectativas para futuras aplicaciones prácticas

[EN] In a biological system, the interactions between organisms can be interspecific, when they relate organisms of the community of different species, or intraspecific. These interactions, depending on which each case, can be favorable, unfavorable or indifferent to the growth, the survival, and/or the reproduction of the organisms of the affected species, can determine their area of distribution and the territorial situation of the species, or have an essential role in the temporal evolution of the populations. Amensalism, commensalism, depredation, mutualism, parasitism, competition and cannibalism are different types of interactions. These interactions can be established over time and in space, normally their local scope of action is by proximity or direct contact. They can be considered as specific to the species or as probable behaviors, which may or may not occur, depending on the environmental conditions in which the organisms are found. All this means that the more traditional mathematical modeling has many limitations in this context, both for the treatment of discontinuities in space and time, and for adaptations or sudden changes that organisms may suffer as a response to factors to which they may be exposed. The approach or perspective of computational agent-based models (ABM) can be considered interesting in the representation of these interactions. The purpose of this paper is to show how biological interactions can be investigated and treated through ABM. First, some examples of ABM implemented in an open access programming environment and available from the web, the NetLogo multi-agent platform, are presented. Then, choosing a particular intraspecific interaction, such as the microbial cannibalism exhibited by Bacillus subtilis bacteria, the case study is presented, with the development of the conceptual design of the ABM for its representation, its implementation in NetLogo, and a sensitivity analysis unifactorial of some of its parameters to explore the response of the virtual system under different simulation scenarios. The simulator obtained for this study will be employed in an academic setting (its origin was a Final Degree Project in Biological Systems Engineering of the Universitat Polit`ecnica de Catalunya), it will be useful both in teaching and for carrying out research linked to these microbial interactions, opening prospects for future practical applications.