Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Графики из стандартной черно-белой симуляции DaisyWorld.

Маргаритковый мир , компьютерное моделирование , гипотетический мир на орбите в звезду которой лучистая энергия медленно увеличивается или уменьшается. Он предназначен для имитации важных элементов системы Земля-Солнце и был представлен Джеймсом Лавлоком и Эндрю Уотсоном в статье, опубликованной в 1983 году [1], чтобы проиллюстрировать правдоподобие гипотезы Гайи . В оригинальной версии 1983, маргаритковый мир засевают два сортов из ромашки , как его только форма жизни: черные маргаритки и белых ромашки. Белые ромашки с лепестками отражают свет , а ромашки с черными лепестками поглощаютсвет. 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.

Математическая модель, подтверждающая гипотезу Гайи [ править ]

Цель модели - продемонстрировать, что механизмы обратной связи могут развиваться из действий или действий корыстных организмов, а не через классические механизмы группового отбора . [2] Daisyworld исследует энергетический баланс 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 отдавать предпочтение планетарной температуре, близкой к оптимальной для роста маргариток.

Лавлок и Ватсон продемонстрировали стабильность Daisyworld, заставив его Солнце эволюционировать по главной последовательности , переводя его от низкой к высокой солнечной постоянной . Это нарушение получения солнечной радиации в мире маргариток привело к постепенному смещению баланса ромашек от черного к белому, но планетарная температура всегда регулировалась до этого оптимума (за исключением крайних концов солнечной эволюции). Эта ситуация сильно отличается от соответствующего абиотического мира, где температура не регулируется и линейно повышается с солнечной энергией.

Более поздние версии маргариткового мира ввели ряд серых ромашек, а также популяций травоядных и хищников , и обнаружили , что они дополнительно увеличены стабильность гомеостаза [ править ] . Совсем недавно было показано , что другие исследования, моделирующие реальные биохимические циклы Земли и использующие различные типы организмов (например, фотосинтезаторы , деструкторы , травоядные, а также первичные и вторичные плотоядные животные ), производят регуляцию и стабильность, похожие на мир маргариток, что помогает объяснить планетарное биологическое разнообразие . [ необходима цитата ]

Это позволяет рециркулировать питательные вещества в рамках нормативной базы, созданной естественным отбором среди видов , когда вредные отходы одного существа становятся низкокалорийной пищей для членов другой гильдии. Это исследование соотношения азота и фосфора Редфилда показывает, что локальные биотические процессы могут регулировать глобальные системы (см. Кейт Даунинг и Питер Звирински, Моделируемая эволюция биохимических гильдий: согласование теории Гайи с естественным отбором ).

Оригинальный синопсис моделирования 1983 г. [ править ]

Воспроизвести медиа
Короткое видео о модели DaisyWorld и ее значениях для науки о Земле в реальном мире.

В начале симуляции солнечные лучи слабые, а Daisyworld слишком холодный, 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 энергии , они могут повышать свою индивидуальную температуру до нормального уровня на все еще прохладной поверхности Daisyworld. 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 обитания белых маргариток, чья конкурирующая популяция растет, чтобы конкурировать с популяцией черных ромашек. По мере того, как две популяции достигают равновесия , происходит то же самое и с температурой поверхности Daisyworld, которая устанавливается на значение, наиболее комфортное для обеих популяций.

На этой первой фазе моделирования мы видим, что черные маргаритки согрели Daisyworld, 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 диапазона, удобного для ромашек. Это повышение температуры приводит к тому, что белые ромашки, которые лучше сохраняют прохладу из-за их 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 ромашки перестали существовать. При определенной яркости их население падает, и бесплодная серая поверхность Мира Маргариток, больше не способная отражать солнечные лучи, быстро нагревается.

На этом этапе моделирования солнечная яркость 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, который позволяет расти белым маргариткам, которые начинают охлаждать планету.

Актуальность для Земли [ править ]

Поскольку Daisyworld настолько упрощен, например, не имеет атмосферы , животных, только один вид растений и только самые основные модели роста и смерти населения, 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 отреагировать, 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 пригодной для жизни в широком диапазоне солнечной светимости. На Земле было найдено множество примеров таких регулирующих систем. [ необходима цитата ]

Модификации исходного моделирования [ править ]

Daisyworld был разработан, чтобы опровергнуть идею о том, что в гипотезе Гайи о том, что поверхность Земли проявляет гомеостатические и гомеоретические свойства, аналогичные свойствам живого организма, было что-то мистическое. В частности, речь шла о терморегуляции. Гипотеза Гайи вызвала серьезную критику со стороны таких ученых, как Ричард Докинз [3], 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 Дулиттл [4]отверг идею планетарного регулирования, потому что казалось, что это требует «тайного консенсуса» между организмами, что является своего рода необъяснимой целью 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. [5]

Более поздняя критика самого Daisyworld сосредоточена на том факте, что, хотя он часто используется в качестве аналогии с Землей, оригинальное моделирование не учитывает многие важные детали истинной системы Земли. 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 сделает ее нестабильной и, следовательно, ложной. Многие из этих проблем рассматриваются в статье 2001 года Тимоти Лентона и Джеймса Лавлока, которая показывает, что включение этих факторов на самом деле улучшает способность Daisyworld регулировать свой климат. [6]

Биоразнообразие и стабильность экосистем [ править ]

Важность большого количества видов в экосистеме привела к двум наборам взглядов на роль биоразнообразия 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 самолета, которые играют небольшую роль в его успешном полете. Гипотеза приводит к выводу, что для здоровой экосистемы необходимо всего несколько ключевых видов. Гипотеза «заклепки-поппер», выдвинутая Полем Р. Эрлихом и его женой Анной Х. Эрлихсравнивает каждый вид, составляющий часть экосистемы, с заклепкой на самолете (представленной экосистемой). Постепенная потеря видов отражает прогрессирующую потерю заклепок с самолета, ослабляя его до тех пор, пока он не станет более устойчивым и разбивается. [7]

Более поздние расширения симуляции Daisyworld, включавшие кроликов , лисиц и другие виды, привели к удивительному открытию: чем больше видов, тем сильнее улучшающий эффект на всей планете (то есть улучшается регулирование температуры). Это также показало, 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. [8]

Этот вывод был подтвержден исследованием, проведенным в 1994 г. Дэвидом Тилманом и Джоном А. Даунингом, в исследовании факторов видового состава, динамики и разнообразия в сукцессионных и естественных пастбищах Миннесоты, которое пришло к выводу, что «первичная продуктивность в более разнообразных растительных сообществах более устойчива и восстанавливается более полно от сильной засухи ". Далее они добавляют: «Наши результаты подтверждают гипотезу стабильности разнообразия, но не альтернативную гипотезу о том, что большинство видов функционально избыточны». [7] [9]

См. Также [ править ]

  • Гипотеза Гайи
  • Философия Gaia
  • SimEarth , видеоигра, частично основанная на моделировании Daisyworld.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Уотсон, AJ ; Дж. Э. Лавлок (1983). «Биологический гомеостаз глобальной окружающей среды: притча о мире маргариток». Теллус Б . 35 (4): 286–9. Bibcode : 1983TellB..35..284W . DOI : 10.1111 / j.1600-0889.1983.tb00031.x .
  2. ^ Уотсон, AJ; Лавлок, Дж. Э. (1983). «Биологический гомеостаз глобальной окружающей среды: притча о мире маргариток». Теллус . 35B (4): 286–9. Bibcode : 1983TellB..35..284W . DOI : 10.1111 / j.1600-0889.1983.tb00031.x .
  3. Перейти ↑ Dawkins, R (1982). Расширенный фенотип: большая досягаемость гена . Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-286088-7.
  4. ^ WF Дулиттл (весна 1981). «Неужели природа по-матерински?». The Coevolution Quarterly : 58–63.
  5. ^ Д. Саган; Дж. Уайтсайд (2004). «Теория градиентной редукции: термодинамика и цель жизни». У Стивена Х. Шнайдера; Джеймс Р. Миллер; Эйлин Крист; Пенелопа Дж. Бостон (ред.). Ученые обсуждают Gaia: The Next Century . MIT Press. С. 173–186. DOI : 10.7551 / mitpress / 9780262194983.003.0017 .
  6. ^ TM Lenton; Дж. Э. Лавлок (2001). "Daisyworld снова: количественная оценка биологических эффектов на планетарную саморегуляцию". Tellus серии B . 53 (3): 288–305. Bibcode : 2001TellB..53..288L . DOI : 10.1034 / j.1600-0889.2001.01191.x .
  7. ^ а б Ричард Э. Лики; Роджер Левин (1996) [1995]. Шестое вымирание: образцы жизни и будущее человечества . Случайный дом - якорь. С. 137–142. ISBN 978-0-385-46809-1.
  8. ^ Джеймс Лавлок (2000) [1988]. Возраст Гайи: Биография нашей живой Земли (2-е, ред. Ред.). Издательство Оксфордского университета. С. 213–216. ISBN 978-0-19-286217-4.
  9. ↑ Дэвид Тилман; Джон А. Даунинг (1994). «Биоразнообразие и стабильность пастбищ» (PDF) . Природа . 367 (6461): 363–365. Bibcode : 1994Natur.367..363T . DOI : 10.1038 / 367363a0 . S2CID 4324145 . Архивировано из оригинального (PDF) 27 сентября 2011 года.  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Эндрю Дж. Вуд; GJ Ackland; Дж. Г. Дайк; ПВТ Вильямс; TM Lenton (5 января 2008 г.). «Daisyworld: обзор» . Обзоры геофизики . 48 (RG1001): RG1001. Bibcode : 2008RvGeo..46.1001W . DOI : 10.1029 / 2006RG000217 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Онлайн-симулятор DaisyWorld с множеством опций (Flash)
  • Java-апплет для daisyworld в 2D-пространстве
  • Java- апплет модели пространственного мира маргариток и объяснение эволюции мира маргариток
  • Симуляция Daisyworld в Unix / X11.
  • Моделирование гипотезы Gaia: DaisyWorld Тестовый апплет базовой модели Daisyworld с использованием двумерных клеточных автоматов.
  • Карточка, ОС, Ксеноцид (научно-фантастический роман, продолжение игры Эндера и Спикер для мертвых, Тор, август 1991 г.)
  • Версия NetLogo модели Daisyworld .