System komputerowy wspomagający wyznaczanie parametrów

1

1

dr in¿. Rados³aw J. KOZ£OWSKI , dr in¿. Gniewko NIEDBA£A , dr Roma DURAK 2, dr in¿. Beata BOROWIAK-SOBKOWIAK 3 1 Instytut In¿ynierii Rolniczej, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu 2 Zak³ad Zoologii Bezkrêgowców, Uniwersytet Rzeszowski 3 Katedra Entomologii, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

SYSTEM KOMPUTEROWY WSPOMAGAJ¥CY WYZNACZANIE PARAMETRÓW DEMOGRAFICZNYCH I ANALIZÊ POPULACJI OWADÓW Streszczenie Celem pracy by³o opracowanie uniwersalnej metody komputerowego wyznaczenia parametrów demograficznych owadów, zastosowanej w niniejszej pracy do badañ populacji mszyc (Aphidoidea) na przyk³adzie Rhopalosiphoninus latysiphon. Opracowany system komputerowy wykorzystuje z³o¿one algorytmy obliczeniowe do wyznaczenia podstawowych parametrów demograficznych, tj. wrodzonego tempa wzrostu populacji, tempa reprodukcji netto, tempa zwielokrotnienia liczebnoœci populacji, œredniego czasu rozwoju pokolenia oraz czasu podwojenia siê populacji. Algorytmy te zaimplementowane zosta³y w postaci jednostanowiskowej aplikacji komputerowej. Zastosowanie nowoczesnych technologii informatycznych pozwoli³o na dok³adniejsze wyznaczenie ww. parametrów ni¿ metodami stosowanymi dotychczas. W znacznym stopniu uleg³ te¿ skróceniu czas przeprowadzenia analizy.

Wstêp

Metodyka

Mszyce s¹ to owady, które na œwiecie licz¹ prawie 5000 gatunków, a w Polsce ponad 700. Grupa ta opanowa³a g³ównie strefê umiarkowan¹ pó³kuli pó³nocnej, zdecydowanie mniej licznie mog¹ wystêpowaæ tak¿e w tropiku, subtropiku oraz w strefie klimatu umiarkowanego pó³kuli po³udniowej [2]. Owady te uwa¿ane s¹ za groŸne szkodniki roœlin uprawnych, zarówno na polach, w sadach, jak i w szklarniach. Wiele gatunków wysysaj¹c soki doprowadza do zachwiania gospodarki wodnej w roœlinach, deformuje pêdy i liœcie, tworzy galasy, przyczyniaj¹c siê do obni¿enia plonów [4]. Odgrywaj¹ one tak¿e istotn¹ rolê w przenoszeniu chorób wirusowych roœlin. Charakteryzuj¹ siê wysokim potencja³em biotycznym i w szybkim tempie zwiêkszaj¹ swoj¹ liczebnoœæ, rozprzestrzeniaj¹ siê i kolonizuj¹ wiele roœlin.

Badania laboratoryjne prowadzono w komorze klimatyzacyjnej w sta³ych warunkach wilgotnoœciowych (70% wilgotnoœci wzglêdnej powietrza), w sta³ej temperaturze 20oC i 17oC oraz przy 12 godzinnej fotofazie. W celu okreœlenia parametrów demograficznych badano rozwój 100 larw, okreœlaj¹c œmiertelnoœæ larw i osobników doros³ych, ca³kowit¹ d³ugoœæ ¿ycia oraz p³odnoœæ. Hodowlê prowadzono na kie³kach bulw ziemniaczanych. Proces opracowania metody komputerowej, zastosowanej do analizy zebranych w ramach doœwiadczeñ laboratoryjnych danych, przeprowadzono zgodnie z wymaganiami in¿ynierii oprogramowania - dziedziny wiedzy opisuj¹cej zasady w³aœciwego projektowania oraz implementacji aplikacji komputerowych [6]. In¿ynieria oprogramowania dzieli ten proces na kilka mniejszych etapów, które sk³adaj¹ siê na tzw. cykl ¿ycia oprogramowania. W ramach tych etapów przeprowadzono szczegó³ow¹ analizê wymagañ oraz opracowano dokumentacjê projektow¹ dotycz¹c¹ budowy algorytmów oraz aplikacji z nich korzystaj¹cej. Do wizualizacji aspektu statycznego oraz dynamicznego implementowanej aplikacji wykorzystano zunifikowany jêzyk modelowania UML (Unified Modelling Language). We wstêpnych etapach prac po analizie wymagañ opracowano schematy blokowe algorytmów, które póŸniej przetworzono do postaci diagramów czynnoœci w standardzie UML. Strukturê aplikacji opracowano z wykorzystaniem diagramów klas (class diagram) natomiast aspekt funkcjonalny zosta³ zapisany w postaci diagramów przypadków u¿ycia (use case diagram). Diagramy te, stanowi¹ce czêœæ dokumentacji projektowej, pozwoli³y na uporz¹dkowanie prac zwi¹zanych z implementacj¹ (kodowaniem) opracowanych algorytmów oraz budow¹ aplikacji komputerowej. Opracowana metoda komputerowa wykorzystuje znane z literatury modele matematyczne dotycz¹ce wyznaczenia najistotniejszych parametrów demograficznych. Parametry te wyznaczane s¹ na podstawie zebranych danych bionomicznych

Cel pracy Celem badañ by³o opracowanie uniwersalnej metody komputerowego wyznaczenia parametrów demograficznych owadów. Metoda ta opiera siê na z³o¿onych algorytmach obliczeniowych pozwalaj¹cych na bardzo dok³adne oraz stosunkowo szybkie wyznaczenie wybranych parametrów. Zaproponowane algorytmy obliczeniowe pozwalaj¹ na wyznaczenie: wrodzonego tempa wzrostu populacji, tempa reprodukcji netto, tempa zwielokrotnienia liczebnoœci populacji, œredniego czasu rozwoju pokolenia oraz czasu podwojenia siê populacji. Algorytmy te zaimplementowane zosta³y w postaci jednostanowiskowej aplikacji komputerowej pozwalaj¹cej na gromadzenie, przechowywanie i analizê danych bionomicznych. W prowadzonych badaniach doœwiadczalnych zaproponowan¹ metodê komputerow¹ zastosowano do wyznaczenia parametrów demograficznych w celu okreœlenia wp³ywu temperatury na tempo wzrostu populacji mszyc (Aphidoidea) z gatunku Rhopalosiphoninus latysiphon [5].

TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA

4/2010

zawieraj¹cych informacjê o wieku osobników w dniach (x), liczby osobników ¿ywych w danym dniu przedstawion¹ jako czêœæ jednoœci (lx) oraz liczby larw w potomstwie jednej samicy w danym dniu (mx). Opracowane algorytmy oparte s¹ na równaniach pozwalaj¹cych na wyznaczenie [1, 3]:

rytmów obliczeniowych. Dodatkowo do aplikacji wprowadzono modu³ generowania wykresów na podstawie wprowadzonych danych. Zaimplementowano tak¿e mo¿liwoœæ pobierania danych z pakietu Microsoft Excel, który wykorzystywany by³ dotychczas do podobnych analiz.

a) wrodzonego tempa wzrostu populacji rm (intrinsic rate of increase):

Wyniki

åe

- rm ×x

× lx × mx = 1 ,

b) tempa reprodukcji netto - R0 (net reproductive value): , c) tempa zwielokrotnienia liczebnoœci populacji - ë (finite rate of increase): , d) œredniego czasu rozwoju pokolenia - T (mean generation time):

Rhopalosiphoninus latysiphon - mszyca piwniczna, jest gatunkiem polifagicznym. Wystêpuje zazwyczaj w kopcach, przechowalniach i piwnicach, na oczkach i kie³kach bulw ziemniaczanych, a tak¿e cebulach tulipanów. Rozmna¿a siê dzieworodnie, a ca³kowity okres rozwoju, jak i liczba pokoleñ, zale¿ne s¹ od temperatury i wilgotnoœci. W wyniku badañ populacji mszyc zebrano dane bionomiczne dotycz¹ce liczby osobników ¿ywych w danym dniu badania oraz liczby mszyc w potomstwie przypadaj¹c¹ na jedn¹ dojrza³¹ samicê. Dane te wprowadzono do wytworzonej aplikacji komputerowej i poddano analizie pozwalaj¹cej na wyznaczenie szukanych parametrów demograficznych. Wygenerowane w wyniku analizy raporty pozwoli³y na okreœlenie wp³ywu temperatury na tempo wzrostu badanej populacji mszyc (rys. 2).

, e) czasu podwojenia siê populacji - DT (population doubling time): . Opracowane na bazie tych modeli schematy blokowe algorytmów pos³u¿y³y jako wzorzec do implementacji modu³ów obliczeniowych w budowanym systemie obliczeniowym. Aplikacjê o nazwie „Demograf” wytworzono w œrodowisku obiektowym z podzia³em na niezale¿nie wspó³pracuj¹ce ze sob¹ modu³y, tym samym oddzielaj¹c warstwê prezentacji (interfejsu) od warstwy funkcjonalnej (rys. 1).

Rys. 2. Raport wygenerowany w aplikacji „Demograf” Fig. 2. Report generated in the application „Demograf”

Rys. 1. Aplikacja „Demograf” wspomagaj¹ca wyznaczanie parametrów demograficznych owadów Fig. 1. An application „Demograf” supporting determination of insects demographic parameters

Rys. 3. Dane bionomiczne dla samic Rhopalosiphoninus o latysiphon hodowanych w temperaturze 17 C Fig. 3. Bionomics data of Rhopalosiphoninus latysiphon o females raised in a temperature of 17 C

Taki podzia³ zapewni³ lepsz¹ kontrolê przep³ywu informacji pomiêdzy poszczególnymi modu³ami, co w konsekwencji umo¿liwi³o uzyskanie optymalnej prêdkoœci dzia³ania algo-

Z wyznaczonych parametrów demograficznych populacji dla samic Rhopalosiphoninus latysiphon hodowanych w temo peraturze 17 C (rys. 3) wynika, ¿e w czasie jednego dnia

TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA

4/2010

populacja tej mszycy powiêksza³a siê 1,32 razy (l), a w czasie rozwoju pokolenia (T = 11,86 dni) 28,56 razy (Ro). Wrodzone tempo wzrostu populacji (rm) by³o równe 0,282 / / dzieñ. Najwy¿sz¹ p³odnoœæ obserwowano 19 dnia (4,9 larwy/samicê). o Dla badañ przeprowadzonych w temperaturze 20 C (rys. 4), podczas jednego dnia populacja tej mszycy powiêksza³a siê 1,18 razy (l). Natomiast w czasie rozwoju pokolenia (T = 19,21 dni) 25,41 razy (Ro). Wrodzone tempo wzrostu populacji (rm) by³o równe 0,168 / / dzieñ. Najwy¿sz¹ p³odnoœæ obserwowano 17 dnia (3,5 larwy/ samicê).

Podsumowanie i wnioski 1. Populacja Rhopalosiphoninus latysiphon szybciej zwiêksza swoj¹ liczebnoœæ w czasie rozwoju pokolenia w temperaturze 17oC ni¿ w temperaturze 20oC. 2. Zastosowanie autorskiej metody komputerowej pozwoli³o na dok³adniejsze wyznaczenie parametrów demograficznych badanej populacji mszyc ni¿ metody stosowane dotychczas. W znacznym stopniu uleg³ skróceniu czas przeprowadzenia analiz. 3. Opracowany w ramach niniejszej pracy system komputerowego wyznaczania parametrów demograficznych w postaci jednostanowiskowej aplikacji komputerowej charakteryzuje siê du¿¹ uniwersalnoœci¹ jego zastosowañ. Mo¿e on s³u¿yæ analizie populacji ró¿nych gatunków owadów. Literatura

Rys. 4. Dane bionomiczne dla samic Rhopalosiphoninus o latysiphon hodowanych w temperaturze 20 C Fig. 4. Bionomics data of Rhopalosiphoninus latysiphon o females raised in a temperature of 20 C

[1] Birch L.C.: The intrinsic rate of natural incrase of an insect population. Journal ofAnimal Ecology, 1948, 17, s. 15-26. [2] Bogdanowicz W., Chudzicka E., Filipiuk I., Skibiñska E.: Fauna Polski - charakterystyka i wykaz gatunków. Tom I. Wydawnictwo Muzeum i Instytut Zoologii PAN, Warszawa, 2004. [3] Carey J.R.: Applied demography for biologist with special emphasis on insects. U.K. Oxford University Press, 1993. [4] Cichocka E.: Mszyce roœlin sadowniczych Polski. PWN, Warszawa, 1980. [5] Davidson, 1912. [6] Stevens P.: UML. In¿ynieria oprogramowania. Wydanie II. Helion, Gliwice, 2007.

COMPUTER-AIDED SYSTEM SUPPORTING THE DETERMINATION OF DEMOGRAPHIC PARAMETERS FOR INSECTS POPULATION ANALYSIS Summary The aim of the work was to develop universal computer-aided method for estimation of demographic parameters for any insect population. This method was applied in this work to study a population of aphids (Aphidoidea): Rhopalosiphoninus latysiphon. The developed computer system uses a complex computational algorithms to set the basic demographic parameters such as: intrinsic rate of increase, net reproductive value, finite rate of increase, mean generation time, population doubling time. These algorithms have been implemented as a single user computer applications. The use of modern computer technologies allowed for more accurate determination of the parameters than methods applied so far. The time of analysis was also shortened.

TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA

4/2010