Маргаритка

В ходе выполнения

Графики стандартной симуляции DaisyWorld. Обратите внимание, что эти графики не взяты из каких-либо данных, представленных в цитируемых здесь исследованиях, и не соответствуют им напрямую.

Daisyworld (первоначально «Daisy World» ), термин в эволюционной и популяционной экологии , получен в результате исследований аспектов «связи» между биотой экосферы и ее планетарной средой, в частности, с помощью математического моделирования и компьютерного моделирования , исследование относится к серии презентаций на симпозиумах 1982-1983 годов. и первичные исследовательские отчеты Джеймса Э. Лавлока и его коллег, направленные на проверку правдоподобности гипотезы Геи . Также позже названное моделированием взаимодействия геосферы и биосферы. В отчетах Лавлока 1983 года основное внимание уделялось гипотетической планете с биотой (в оригинальной работе — маргаритками), рост которой колеблется по мере изменения воздействия на планету солнечных лучей: то есть пара сортов маргариток , разные цвета которых определяют разницу во взаимодействии с окружающей средой (в частности, с солнцем). Ссылка на эксперименты типа Daisyworld стала в более широком смысле относиться к продолжению этой ранней работы и к дальнейшим гипотетическим системам, включающим похожие и неродственные виды.

Более конкретно, учитывая невозможность математического моделирования взаимодействия всего массива биоты Земли с полным набором факторов окружающей среды, Лавлок представил идею (а также математические модели и подход к моделированию) гораздо более простой экосистемы — планеты на самом нижнем пределе своей биоты, вращающейся вокруг звезды , лучистая энергия которой медленно менялась — как средства для имитации фундаментального элемента взаимодействия вся биота Земли с Солнцем. В оригинальных работах 1983 года Daisyworld сделал множество упрощающих предположений и использовал белые и черные ромашки в качестве единственных организмов, которые были представлены за их способность отражать или поглощать свет соответственно. Первоначальное моделирование моделировало две популяции маргариток, которые в совокупности определяли общую отражательную способность планеты (долю падающего излучения, отраженного ее поверхностью) и температуру поверхности Daisyworld в зависимости от изменений светимости гипотетической звезды ; при этом Лавлок продемонстрировал, что температура поверхности простой системы Daisyworld оставалась почти постоянной в широком диапазоне солнечных колебаний в результате изменений в популярности двух разновидностей растений.

Синопсис, симуляция 1983 года

Вуд и его коллеги в обзоре 2008 года, цитирующем две основные исследовательские работы Лавлока 1983 года о Daisyworld (на тот момент все еще Daisy World или то же самое, только в нижнем регистре): описывают ее как сформулированную в ответ на раннюю критику гипотезы Лавлока о Гайе, в частности, как модель, «изобретенную для демонстрации того, что планетарная саморегуляция может возникать автоматически из физически реалистичной обратной связи между жизнью и ее средой, без какой-либо необходимости в предвидении или планировании дальнейших действий». часть организмов»,

Учитывая невозможность в полной мере представить «связь» всей биоты Земли и ее окружающей среды , гипотетическая модель

Это воображаемый серый мир, вращающийся на таком же расстоянии от Земли вокруг звезды, подобной нашему Солнцу, которая со временем становится ярче. Окружающая среда... сведена к одной переменной - температуре, а биота состоит из двух типов жизни, черных и белых маргариток, которые имеют одну и ту же оптимальную температуру для роста и пределы роста. Почва Daisyworld достаточно хорошо полита и насыщена питательными веществами, поэтому только температура определяет скорость роста маргариток. На планете имеется незначительная парниковая атмосфера , поэтому температура ее поверхности просто определяется... светимостью [гипотетической звезды] и ее общим альбедо [ отражательной способностью, долей падающего излучения, отраженного поверхностью ], которое составляет , в свою очередь, зависит от освещения двух видов маргариток.

Эта гипотетическая конструкция при математическом моделировании создает нелинейную систему «с интересными свойствами саморегулирования».

Цель и влияние

Duration: 3 minutes and 47 seconds.3:47

Короткое видео о модели DaisyWorld и ее значении для реальной науки о Земле.

Цель модели — продемонстрировать, что механизмы обратной связи могут развиваться в результате действий или деятельности корыстных лиц. организмов, а не посредством классических механизмов группового отбора . Daisyworld исследует энергетический баланс планеты, населенной двумя разными видами растений: черными маргаритками и белыми маргаритками. Цвет маргариток влияет на альбедо планеты: черные маргаритки поглощают свет и согревают планету, а белые отражают свет и охлаждают планету. Конкуренция между маргаритками (основанная на влиянии температуры на скорость роста) приводит к балансу популяций, который имеет тенденцию отдавать предпочтение планетарной температуре, близкой к оптимальной для роста маргариток.

Лавлок стремился продемонстрировать стабильность Мира Маргариток, заставляя его солнце развиваться по главной последовательности , переводя его от низкой солнечной постоянной к высокой . Это возмущение поступления солнечной радиации в Маргаритный мир привело к постепенному смещению баланса маргариток с черного на белое, но планетарная температура всегда возвращалась к этому оптимальному значению (за исключением крайних концов солнечной эволюции). Эта ситуация сильно отличается от соответствующего абиотического мира, где температура не регулируется и растет линейно с увеличением солнечной активности.

Критика

Daisyworld был разработан, чтобы опровергнуть идею о том, что в гипотезе Геи есть что-то по своей сути мистическое, согласно которому поверхность Земли обладает гомеостатическими и гомеоретическими свойствами, подобными свойствам живого организма; в частности, речь шла о терморегуляции.

Вуд и его коллеги отметили в 2008 году, что ключевым элементом гипотетической конструкции Daisyworld было то, что виды фокуса,

«Маргаритки изменяют одну и ту же переменную окружающей среды (температуру) в одном и том же направлении на локальном уровне и на глобальном уровне. Следовательно, то, для чего выбрано на индивидуальном уровне, напрямую связано с ее глобальными эффектами. Это делает исходную модель особым случаем ( и она не особенно распространена в реальном мире). По этой причине биологи-эволюционисты часто критикуют первоначальную модель».

В остальном гипотеза Геи вызвала значительную критику со стороны ученых, например, Ричарда Докинза, который утверждал, что терморегуляция на уровне планет невозможна без планетарного естественного отбора, который может включать доказательства существования мертвых планет, которые не осуществляют терморегуляцию. У. Форд Дулиттл отверг идею планетарного регулирования, поскольку оно, казалось, требовало «тайного консенсуса» между организмами, то есть своего рода необъяснимой цели в планетарном масштабе. Другие возражали против критики о том, что для планетарного регулирования потребуется некий «тайный консенсус», предполагая, что терморегуляция планеты, полезная для двух видов, возникает естественным образом.

Более поздняя критика Daisyworld сосредоточена на том факте, что, хотя его часто используют как аналогию с Землей, исходная симуляция не учитывает многие важные детали истинной земной системы. Например, гипотетическая система требует специального уровня смертности (γ) для поддержания гомеостаза и не учитывает разницу между явлениями на уровне вида и явлениями на индивидуальном уровне. Противники моделирования полагали, что включение этих деталей приведет к нестабильности системы, что делает эту аналогию ложной. На эту критику ответили Тимоти Лентон и Джеймс Лавлок в 2001 году, которые утверждали, что включение дополнительных факторов может улучшить регулирование климата в более поздних версиях Daisyworld.

Последующие исследования

Более поздние версии Daisyworld, определяющие область исследований как «учебное моделирование взаимодействий геосферы и биосферы», представили ряд серых маргариток, а также популяции травоядных и хищников и обнаружили, что это еще больше повышает стабильность гомеостаза .

Совсем недавно другие исследования, моделирующие реальные биохимические циклы Земли и использующие различные типы организмов (например, фотосинтезирующие , разлагающие , травоядные , первичные и вторичные плотоядные животные ), также утверждают, что создали регулирование и стабильность, подобные маргариточному миру, в поддержку идей, связанных с планетарное биологическое разнообразие . Это позволяет перерабатывать питательные вещества в рамках нормативной базы, созданной естественным отбором среди видов , когда вредные отходы одного существа становятся низкоэнергетической пищей для членов другой гильдии. Например, исследование соотношения азота и фосфора по Редфилду предполагает, что локальные биотические процессы могут регулировать глобальные системы.

Позднее расширение моделирования Daisyworld, включившее кроликов , лисиц и другие виды, привело к предположению, что чем больше число видов, тем большее улучшение терморегуляции для всей планеты; результаты позволяют предположить, что такая гипотетическая система была надежной и стабильной даже при возмущениях. Симуляции Daisyworld, в которых окружающая среда была стабильной, со временем стали менее разнообразными; напротив, легкие возмущения привели к резкому увеличению видового богатства, что подтвердило идею о ценности биоразнообразия.

в отчете о первичном исследовании видового состава , динамики и разнообразия на сукцессионных и местных лугах Миннесоты Этот вывод был подтвержден Дэвидом Тилманом и Джоном А. Даунингом в 1994 году , в котором был сделан вывод, что «первичная продуктивность в более разнообразных растительных сообществах более устойчива к и более полно восстанавливается после сильной засухи». Далее они добавляют, что их «результаты подтверждают гипотезу стабильности разнообразия, но не альтернативную гипотезу о том, что большинство видов функционально избыточны».

Актуальность для Земли

Поскольку Daisyworld настолько упрощен, в нем нет ни атмосферы , ни животных, только один вид растительной жизни и только самые базовые модели роста и смертности населения, его не следует напрямую сравнивать с Землей. Об этом очень четко заявили первоначальные авторы. Несмотря на это, он дал ряд полезных предсказаний о том, как биосфера Земли может отреагировать, например, на вмешательство человека. Более поздние адаптации Daisyworld (обсуждаемые ниже), в которых было добавлено множество уровней сложности, по-прежнему демонстрировали те же основные тенденции, что и исходная модель.

Одним из предсказаний моделирования является то, что биосфера регулирует климат , делая его пригодным для жизни в широком диапазоне солнечной светимости. На Земле обнаружено множество примеров таких регуляторных систем.

См. также

• Гипотеза Геи
• Философия Геи
• SimEarth

Дальнейшее чтение

• Эндрю Дж. Вуд; Дж. Дж. Экланд; Дж. Г. Дайк; ПВТ Уильямс; Т.М. Лентон (5 января 2008 г.). «Мир ромашек: обзор» . Обзоры геофизики . 48 (РГ1001): РГ1001. Бибкод : 2008RvGeo..46.1001W . дои : 10.1029/2006RG000217 . Один обзор представляет собой 25-летнюю ретроспективу первоначального и последующих исследований.

• Лавлок, Дж. Э. (1983a). «Гайя, увиденная сквозь атмосферу». В Уэстбруке, П. и Джонг, EW d. (ред.). Биоминерализация и биологическое металлонакопление . Дордрехт, Нидерланды: Д. Рейдель. стр. 15–25. ISBN  9789400979468 . Проверено 24 июля 2024 г. Доклады, представленные на Четвертом Международном симпозиуме по биоминерализации, Ренесс, Нидерланды, 2–5 июня 1982 г. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список редакторов ( ссылка ) . Эта работа была упомянута как одна из двух оригинальных публикаций Лавлока 1983 года о конструкции Daisyworld, Wood et al (2008), op. цит.

• Лавлок, Дж. Э. (1983b). «Мир маргариток — кибернетическое доказательство гипотезы Геи» . CoEvolution Quarterly (лето): 66–72 . Проверено 24 июля 2024 г. Эта работа была упомянута как одна из двух оригинальных публикаций Лавлока 1983 года о конструкции Daisyworld, Wood et al (2008), op. цит.

• Уотсон, Эй Джей ; Дж. Э. Лавлок (1983). «Биологический гомеостаз глобальной окружающей среды: притча о ромашке» . Теллус Б. 35 (4): 286–9. Бибкод : 1983TellB..35..284W . дои : 10.3402/tellusb.v35i4.14616 . Проверено 24 июля 2024 г. . Это не первый отчет Daisyworld, скорее, это последующее исследование, призванное проверить конкретный дополнительный вопрос. Как тщательно описано Wood et al., op. cit., «Уотсон и Лавлок [1983] изменили знак взаимодействия между цветом маргариток и планетарной температурой, предположив, что конвекция, возникающая над теплыми пятнами комков черной маргаритки, порождает над ними белые облака. В этом случае черные маргаритки все еще локально теплее, чем белые маргаритки, но оба типа маргариток теперь охлаждают планету. Следовательно, черные маргаритки всегда имеют селективное преимущество перед своими белыми сородичами, которых они приводят к вымиранию. Однако планетарная температура все еще регулируется, хотя и находится на холодной стороне оптимума. для роста.

• Лавлок, Дж. Э. и Уотсон, Эй. Джей (1982). «Регулирование выбросов углекислого газа и климата. Гея или геохимия?». Планета. Космическая наука. 30 (8): 193–202. Бибкод : 1982P&SS...30..795L . дои : 10.1016/0032-0633(82)90112-X . Доклад, представленный на симпозиуме IAMAP/ICPAE «Происхождение и эволюция планетарных атмосфер», 17-18 августа 1981 г., Гамбург, Западная Германия. Это обзор гипотезы Геи, которая постулирует состояние планетарного гомеостаза, влияющее на химический состав и климат. На некоторые критические замечания даны ответы, и представлена ​​новая модель долгосрочного регулирования средней температуры поверхности посредством биологического контроля парциального давления CO2. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) См. также веб-источник полной статьи, представленный автором .

• Моссман, Кейт и Лавлок, Джеймс (31 июля 2019 г.). «Джеймсу Лавлоку в 100 лет: «Моя жизнь была одной массой видений» » (интервью) . NewStatesman.com . Лондон, Англия: New Statesman Limited . Проверено 24 июля 2024 г. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) Интервью, представляющее историю нескольких тем, имеющих отношение к этой статье, с точки зрения Лавлока (с уважительной ссылкой на возражения У. Ф. Дулитла).

• Дулиттл, WF (октябрь 2019 г.). «Мнение: эволюционный смысл Гайи» . Тенденции в экологии и эволюции . 34 (10): 889–894. дои : 10.1016/j.tree.2019.05.001 . ПМИД   31155421 . Проверено 24 июля 2024 г. Более недавняя краткая ретроспектива Дулитла о Гайе и связанных с ней исследованиях.

Внешние ссылки

• Онлайн-симулятор DaisyWorld со множеством опций (HTML5/Javascript)
• Java-апплет для Daisyworld в 2D-пространстве
• Java-апплет пространственной модели Daisyworld и объяснение Daisyworld с эволюцией
• Моделирование Daisyworld в Unix/X11.
• Моделирование гипотезы Гайи: DaisyWorld Тестовый апплет базовой модели Daisyworld с использованием 2D клеточных автоматов.
• Версия NetLogo модели Daisyworld .