Daisyworld , компьютерная симуляция , представляет собой гипотетический мир, вращающийся вокруг звезды , лучистая энергия которой медленно увеличивается или уменьшается. Он предназначен для имитации важных элементов системы Земля-Солнце. Джеймс Лавлок и Эндрю Уотсон представили его в статье, опубликованной в 1983 году [1], чтобы проиллюстрировать правдоподобность гипотезы Геи . В оригинальной версии 1983 года Daisyworld засеян двумя видами маргариток в качестве единственных форм жизни: черными маргаритками и белыми маргаритками . Маргаритки с белыми лепестками отражают свет , а ромашки с черными лепестками поглощают свет. Моделирование отслеживает две популяции маргариток и температуру поверхности Daisyworld по мере того, как солнечные лучи становятся более мощными. Температура поверхности Daisyworld остается почти постоянной в широком диапазоне солнечной активности.
Цель модели — продемонстрировать, что механизмы обратной связи могут развиваться в результате действий или деятельности корыстных организмов, а не посредством классических механизмов группового отбора . [2] 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 и Уотсон продемонстрировали стабильность Мира Маргариток, заставив его солнце развиваться по главной последовательности , переводя его от низкой солнечной постоянной к высокой . Это нарушение поступления солнечной радиации в Маргаритный мир привело к постепенному смещению баланса маргариток с черного на белое, но планетарная температура всегда регулировалась до этого оптимального значения (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.
Более поздние версии Daisyworld представили ряд серых маргариток, а также популяции травоядных и хищников и обнаружили, что это еще больше повышает стабильность гомеостаза . [3] [4] Совсем недавно другие исследования, моделирующие реальные биохимические циклы Земли и использующие различные типы организмов (например, фотосинтезирующие , разлагающие , травоядные , первичные и вторичные плотоядные животные ), также показали, что они производят регулирование, подобное маргариточному миру, и стабильность, которая помогает объяснить планетарное биологическое разнообразие . [5]
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. Это исследование соотношения азота и фосфора по Редфилду показывает, что локальные биотические процессы могут регулировать глобальные системы (см. Кит Даунинг [ постоянная мертвая ссылка ] и Питер Звиринский, Моделирование эволюции биохимических гильдий: согласование теории Геи с естественным отбором ).
В начале моделирования солнечные лучи слабы, а в Daisyworld слишком холодно, чтобы поддерживать какую-либо жизнь. Поверхность его бесплодна и сера. По мере увеличения освещенности солнечных лучей становится возможным прорастание ромашки черной. Поскольку черные маргаритки поглощают больше солнечной энергии , они способны повышать свою индивидуальную температуру до здорового уровня на все еще прохладной поверхности Daisyworld. В результате они процветают, и вскоре их популяция становится достаточно большой, чтобы повысить среднюю температуру поверхности Маргаритки.
По мере нагревания поверхности она становится более пригодной для обитания белых маргариток, чья конкурирующая популяция растет и может соперничать с популяцией черных маргариток. Когда две популяции достигают равновесия, изменяется и температура поверхности Маргаритки, которая стабилизируется на значении, наиболее комфортном для обеих популяций.
На этом первом этапе моделирования мы видим, что черные маргаритки согрели Маргаритку, так что она стала пригодной для жизни в более широком диапазоне солнечной светимости, чем это было бы возможно на бесплодной серой планете. Это позволило увеличить популяцию белой маргаритки, и теперь две популяции маргариток 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. Такое повышение температуры приводит к тому, что белые маргаритки, которые лучше сохраняют прохладу из-за своего высокого альбедо или способности отражать солнечный свет, получают селективное преимущество перед черными маргаритками. Белые ромашки начинают заменять черные ромашки, что оказывает охлаждающее действие на Daisyworld. В результате температура поверхности Daisyworld остается пригодной для жизни — 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 больше не смогут выжить. При определенной яркости их популяция сокращается, а бесплодная серая поверхность Мира Маргариток, больше не способная отражать солнечные лучи, быстро нагревается.
На этом этапе моделирования солнечная светимость запрограммирована уменьшаться, возвращаясь к исходному пути к начальному значению. Даже несмотря на то, что он снижается до уровня, который ранее поддерживал огромные популяции маргариток на третьей фазе, ни одна маргаритка не может расти, потому что на поверхности бесплодного серого мира маргариток все еще слишком жарко. В конце концов, мощность солнечных лучей снижается до более комфортного уровня, что позволяет расти белым маргариткам, которые начинают охлаждать планету.
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 предоставил 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. [ нужна цитата ]
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. Гипотеза Геи вызвала значительную критику со стороны таких ученых, как Ричард Докинз [6] , которые утверждали, что терморегуляция на уровне планет невозможна без планетарного естественного отбора, что может включать в себя доказательства существования мертвых планет, которые не осуществляют терморегуляцию. Доктор У. Форд Дулиттл [7] отверг идею планетарного регулирования, поскольку оно, казалось, требовало «тайного консенсуса» между организмами, то есть своего рода необъяснимой цели в планетарном масштабе. Между прочим, ни один из этих неодарвинистов не провел тщательного изучения обширных доказательств, представленных в книгах Лавлока, которые наводили на мысль о планетарном регулировании, отвергая теорию, основанную на том, что они считали ее несовместимой с новейшими взглядами на процессы, посредством которых работает эволюция. Модель Лавлока опровергла критику о том, что для планетарного регулирования потребуется некий «тайный консенсус», показав, как в этой модели терморегуляция планеты, полезная для двух видов, возникает естественным образом. [8]
Более поздняя критика самого 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, системе требуется специальный уровень смертности (γ) для поддержания гомеостаза, и она не принимает во внимание разницу между явлениями на уровне вида и явлениями на индивидуальном уровне. Противники моделирования считали, что включение этих деталей сделает его нестабильным и, следовательно, ложным. Многие из этих проблем рассматриваются в статье Тимоти Лентона и Джеймса Лавлока 2001 года, которая показывает, что включение этих факторов фактически улучшает способность Daisyworld регулировать свой климат. [3]
Важность большого количества видов в экосистеме привела к двум группам взглядов на роль биоразнообразия в стабильности экосистем в теории Геи. В одной школе мысли, названной гипотезой «избыточности видов», предложенной австралийским экологом Брайаном Уокером , считается, что большинство видов вносят 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 необходимы лишь несколько ключевых видов. Гипотеза «заклепки-поппера», выдвинутая Полом Р. Эрлихом и его женой Энн Х. Эрлих, сравнивает каждый вид, входящий в экосистему, с заклепкой в самолете (представленной экосистемой). Прогрессивная потеря видов отражает прогрессирующую потерю заклепок самолета, ослабляя его до тех пор, пока он не перестанет быть устойчивым и не разобьется. [9]
Более поздние расширения моделирования Daisyworld, включившие кроликов , лисиц и другие виды, привели к неожиданному открытию: чем больше число видов, тем сильнее улучшается воздействие на всю планету (т. е. улучшается регулирование температуры). Это также показало, что система была надежной и стабильной даже при возмущениях. Симуляции Daisyworld, в которых изменения окружающей среды были стабильными, со временем стали менее разнообразными; напротив, легкие возмущения привели к резкому увеличению видового богатства. Эти результаты подтвердили идею о ценности биоразнообразия. [10]
Этот вывод был подтвержден в 1994 году исследованием факторов видового состава , динамики и разнообразия на сукцессионных и местных лугах в Миннесоте, проведенным Дэвидом Тилманом и Джоном А. Даунингом, которые пришли 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». [9] [11]