Войти
Графики стандартного черно-белого моделирования DaisyWorld. Daisyworld, компьютерное моделирование, является гипотетическим миром вращается вокруг звезды , чья лучистая энергия медленно увеличивается или уменьшается. Он призван имитировать важные элементы системы Земля-Солнце и был представлен Джеймсом Лавлоком и Эндрю Уотсоном в статье, опубликованной в 1983 году, чтобы проиллюстрировать правдоподобие Гипотеза Гайи. В оригинальной версии 1983 года Daisyworld засеян двумя разновидностями ромашки как единственными формами жизни: черными и белыми маргаритками. Ромашки с белыми лепестками отражают свет, а ромашки с черными лепестками поглощают свет. Моделирование отслеживает две популяции ромашек и температуру поверхности Daisyworld по мере того, как солнечные лучи становятся более мощными. Температура поверхности Daisyworld остается почти постоянной в широком диапазоне солнечной энергии.
Цель модели - продемонстрировать, что механизмы обратной связи могут развиваться от действий или действий корыстных организмов, а не с помощью классических механизмов группового отбора. Daisyworld исследует энергетический бюджет планеты, населенной двумя разными типами растений, черными и белыми маргаритками. Цвет ромашек влияет на альбедо планеты, так что черные ромашки поглощают свет и согревают планету, а белые маргаритки отражают свет и охлаждают планету. Конкуренция между маргаритками (основанная на влиянии температуры на скорость роста) приводит к балансу популяций, который склонен поддерживать планетарную температуру, близкую к оптимальной для роста маргариток.
Лавлок и Ватсон продемонстрировали стабильность Daisyworld, заставив его солнце эволюционировать по главной последовательности, повышая его солнечную постоянную.. Это возмущение получения Daisyworld солнечной радиации привело к постепенному смещению баланса ромашек с черного на белый, но планетарная температура всегда регулировалась до этого оптимума (кроме крайних концов солнечной эволюции). Эта ситуация сильно отличается от соответствующего абиотического мира, где температура не регулируется и растет линейно с солнечной энергией.
Более поздние версии Daisyworld представили ряд серых маргариток, а также популяции травоядных и хищников, и обнаружили, что это еще больше повысило стабильность гомеостаз. Совсем недавно были проведены другие исследования, моделирующие реальные биохимические циклы Земли и использующие различные типы организмов (например, фотосинтезаторы, разлагатели, травоядные и первичные и вторичные плотоядные ) также вызывают регуляцию и стабильность, подобные Daisyworld, что помогает объяснить планетарное биологическое разнообразие.
Это делает возможным повторное использование питательных веществ в рамках нормативной базы, разработанной естественный отбор среди видов, когда вредные отходы одного существа становятся низкокалорийной пищей для членов другой гильдии. Это исследование отношения Редфилда азота к фосфору показывает, что местные биотические процессы могут регулировать глобальные системы (см. Кейт Даунинг и Питер Звирински, Моделируемая эволюция биохимических гильдий: согласование теории Гайи с Естественный отбор).
Воспроизвести медиа Короткий видеоролик о модели DaisyWorld и ее применении в реальной науке о Земле. В начале моделирования солнечные лучи слабые и Daisyworld слишком холоден, чтобы поддерживать любую жизнь. Его поверхность бесплодная и серая. По мере увеличения яркости солнечных лучей становится возможным прорастание черных ромашек. Поскольку черные ромашки поглощают больше солнечной лучистой энергии, они могут повышать индивидуальную температуру до нормального уровня на все еще прохладной поверхности Мира ромашек. В результате они процветают, и вскоре популяция становится достаточно большой, чтобы повысить среднюю температуру поверхности Daisyworld.
По мере того, как поверхность нагревается, она становится более пригодной для жизни белых маргариток, чья конкурирующая популяция растет, чтобы конкурировать с популяцией черных маргариток. Когда две популяции достигают равновесия, температура поверхности Daisyworld достигает значения, наиболее комфортного для обеих популяций.
На этой первой фазе моделирования мы видим, что черные маргаритки согрели Мир Маргариток, так что он стал обитаемым в более широком диапазоне солнечной светимости, чем это было бы возможно на бесплодной серой планете. Это позволило увеличить популяцию белых ромашек, и теперь две популяции ромашек работают вместе, чтобы регулировать температуру поверхности.
Вторая фаза моделирования документирует то, что происходит, когда яркость солнца продолжает увеличиваться, нагревая поверхность Daisyworld за пределы комфортного диапазона для маргариток. Это повышение температуры приводит к тому, что белые ромашки, которые лучше сохраняют прохладу из-за высокого альбедо или способности отражать солнечный свет, получают избирательное преимущество перед черными маргаритками. Белые ромашки начинают заменять черные ромашки, что оказывает охлаждающее действие на Daisyworld. В результате температура поверхности Daisyworld остается обитаемой - фактически почти постоянной - даже несмотря на то, что яркость солнца продолжает увеличиваться.
На третьем этапе моделирования солнечные лучи стали настолько мощными, что вскоре даже белые маргаритки больше не выживают. При определенной яркости их население падает, и бесплодная серая поверхность Мира Маргариток, больше не способная отражать солнечные лучи, быстро нагревается.
На этом этапе моделирования яркость Солнца запрограммирована на снижение, возвращаясь к исходному значению. Даже когда он снижается до уровней, которые ранее поддерживали огромные популяции маргариток в третьей фазе, ни одна маргаритка не может расти, потому что поверхность бесплодного серого мира маргариток все еще слишком горячая. В конце концов, мощность солнечных лучей уменьшается до более комфортного уровня, что позволяет расти белым маргариткам, которые начинают охладить планету.
Потому что Мир Маргариток настолько упрощен, например, в нем нет атмосферы, нет животных, только один вид растений и только самая основная популяция модели роста и смерти, его не следует напрямую сравнивать с Землей. Об этом очень четко заявили первоначальные авторы. Тем не менее, он предоставил ряд полезных предсказаний того, как биосфера Земли может реагировать, например, на вмешательство человека. Более поздние адаптации Daisyworld (обсуждаемые ниже), добавившие много уровней сложности, по-прежнему демонстрировали те же основные тенденции, что и исходная модель.
Одно из предсказаний моделирования состоит в том, что биосфера регулирует климат, делая ее обитаемой в широком диапазоне солнечной светимости. На Земле было найдено множество примеров таких регулирующих систем.
Daisyworld был разработан, чтобы опровергнуть идею о том, что в гипотезе Гайи было что-то мистическое, что проявляется на поверхности Земли. гомеостатические и гомеоретические свойства аналогичны свойствам живого организма. В частности, речь шла о терморегуляции. Гипотеза Гайи вызвала серьезную критику со стороны таких ученых, как Ричард Докинз, которые утверждали, что терморегуляция на уровне планеты невозможна без планетарного естественного отбора, который может включать свидетельства существования мертвых планет, которые не имеют терморегуляции. Д-р У. Форд Дулитл отверг понятие планетарного регулирования, потому что оно, казалось, требовало «тайного консенсуса» между организмами, а значит, некой необъяснимой цели в планетарном масштабе. Между прочим, ни один из этих неодарвинистов внимательно изучил обширные свидетельства, представленные в книгах Лавлока, которые наводили на мысль о планетарной регуляции, отклоняя теорию, основываясь на том, что они считали ее несовместимостью с последними взглядами на процессы, посредством которых работает эволюция. Модель Лавлока опровергла критику, что для планетарного регулирования потребуется некий «секретный консенсус», показав, как в этой модели терморегуляция планеты, полезная для двух видов, возникает естественным образом.
Более поздняя критика самого Daisyworld сосредоточена вокруг тот факт, что, хотя это часто используется как аналогия с Землей, оригинальные модели не учитывают многие важные детали истинной системы Земля. Например, системе требуется специальный коэффициент смертности (γ) для поддержания гомеостаза, и она не принимает во внимание разницу между явлениями на уровне видов и явлениями на индивидуальном уровне. Противники симуляции полагали, что включение этих деталей сделало бы ее нестабильной и, следовательно, ложной. Многие из этих вопросов рассматриваются в более поздней статье Тимоти Лентона и Джеймса Лавлока в 2001 году. В этой статье показано, что включение этих факторов фактически улучшает способность Daisyworld регулировать свой климат.
Важность большого количества видов в экосистеме привела к двум наборам взглядов на роль, которую биоразнообразие играет в стабильности экосистем в теории Гайи. В одной из школ, названных гипотезой «избыточности видов», предложенной австралийским экологом Брайаном Уокером, большинство видов рассматриваются как имеющие небольшой вклад в общую стабильность, сравнимый с пассажирами в самолете, которые играют небольшую роль. в его успешном полете. Гипотеза приводит к выводу, что для здоровой экосистемы необходимо всего несколько ключевых видов. Гипотеза «заклепка-поппер», выдвинутая Полом Р. Эрлихом и его женой Энн Х. Эрлих, сравнивает каждый вид, составляющий часть экосистемы, в виде заклепки на самолете (представленной экосистемой). Постепенная потеря видов отражает прогрессирующую потерю заклепок из самолета, ослабляя его до тех пор, пока он не станет более устойчивым и разбивается.
Более поздние расширения моделирования Daisyworld, которые включали кроликов, лисы и другие виды, привели к удивительному открытию, что чем больше видов, тем сильнее улучшающий эффект на всей планете (т.е. улучшается регулирование температуры). Он также показал, что система была надежной и стабильной даже при возмущении. Симуляторы Daisyworld, где изменения окружающей среды были стабильными, со временем постепенно становились менее разнообразными; Напротив, легкие возмущения привели к всплеску видового богатства. Эти результаты подтвердили идею о ценности биоразнообразия.
Это открытие было подтверждено 11-летним исследованием факторов видового состава, динамики и разнообразия в сукцессионных и естественных пастбищах Миннесоты, проведенном Дэвид Тилман, и в котором они обнаружили, что «первичная продуктивность более разнообразных растительных сообществ более устойчива к сильной засухе и более полно восстанавливается после нее». Далее они добавляют: «Наши результаты подтверждают гипотезу стабильности разнообразия, но не альтернативную гипотезу о том, что большинство видов функционально избыточны».
