Мир ромашек: компьютерная модель планетарной регуляции.

Введение

Компьютерное моделирование

Daisyworld — это компьютерное моделирование гипотетического мира, вращающегося вокруг звезды, излучающая энергия которой медленно увеличивается или уменьшается. Оно создано для имитации важных элементов системы Земля-Солнце. Джеймс Лавлок и Эндрю Уотсон представили его в статье, опубликованной в 1983 году, чтобы продемонстрировать правдоподобность гипотезы Геи. В оригинальной версии 1983 года Daisyworld заселен двумя видами ромашек как единственными формами жизни: чёрными ромашками и белыми ромашками. Ромашки с белыми лепестками отражают свет, а с чёрными — поглощают. Моделирование отслеживает численность двух популяций ромашек и температуру поверхности Daisyworld по мере усиления солнечного излучения. Температура поверхности Daisyworld остаётся почти постоянной в широком диапазоне солнечной активности.

Математическая модель для поддержки гипотезы Гайи

Цель модели – продемонстрировать, что механизмы обратной связи могут развиваться из действий или деятельности организмов, преследующих собственные интересы, а не посредством классических механизмов группового отбора. Daisyworld исследует энергетический бюджет планеты, населенной двумя различными типами растений – черными ромашками и белыми ромашками. Цвет ромашек влияет на альбедо планеты таким образом, что черные ромашки поглощают свет и нагревают планету, а белые ромашки отражают свет и охлаждают ее. Конкуренция между ромашками (основанная на влиянии температуры на скорость роста) приводит к балансу популяций, который, как правило, благоприятствует температуре планеты, близкой к оптимальной для роста ромашек. Лавлок и Уотсон продемонстрировали стабильность Daisyworld, заставив его солнце эволюционировать вдоль главной последовательности, переходя от низкой к высокой солнечной постоянной. Это изменение поступления солнечной радиации в Daisyworld привело к постепенному сдвигу баланса ромашек от черных к белым, но температура планеты всегда возвращалась к этому оптимальному значению (за исключением крайних точек солнечной эволюции). Эта ситуация существенно отличается от соответствующего абиотического мира, где температура не регулируется и линейно возрастает с увеличением солнечной активности. В более поздних версиях Daisyworld были введены различные оттенки серых ромашек, а также популяции травоядных и хищников, и было обнаружено, что они еще больше повышают стабильность гомеостаза. Недавние исследования, моделирующие реальные биохимические циклы Земли и использующие различные типы организмов (например, фотосинтезаторов, декомпозиторов, травоядных, а также первичных и вторичных хищников), также показали способность создавать регулирование и стабильность, подобные Daisyworld, что помогает объяснить планетарное биологическое разнообразие. Это обеспечивает переработку питательных веществ в рамках регуляторной структуры, сформированной естественным отбором между видами, где вредные отходы одного организма становятся низкоэнергетической пищей для представителей другой экологической группы. Данное исследование соотношения азота и фосфора в соотношении Редфилда показывает, что локальные биотические процессы могут регулировать глобальные системы (см. Keith Downing & Peter Zvirinsky, "Симулированная эволюция биохимических гильдий: примирение теории Гайи с естественным отбором").

The purpose of the model is to demonstrate that feedback mechanisms can evolve from the actions or activities of self interested organisms, rather than through classic group selection mechanisms. Daisyworld examines the energy budget of a planet populated by two different types of plants, black daisies and white daisies. The colour of the daisies influences the albedo of the planet such that black daisies absorb light and warm the planet, while white daisies reflect light and cool the planet. Competition between the daisies (based on temperature effects on growth rates) leads to a balance of populations that tends to favour a planetary temperature close to the optimum for daisy growth. Lovelock and Watson demonstrated the stability of Daisyworld by making its sun evolve along the main sequence, taking it from low to high solar constant. This perturbation of Daisyworld's receipt of solar radiation caused the balance of daisies to gradually shift from black to white but the planetary temperature was always regulated back to this optimum (except at the extreme ends of solar evolution). This situation is very different from the corresponding abiotic world, where temperature is unregulated and rises linearly with solar output. Later versions of Daisyworld introduced a range of grey daisies, as well as populations of grazers and predators, and found that these further increased the stability of the homeostasis. More recently, other research, modeling the real biochemical cycles of Earth, and using various types of organisms (e. g. photosynthesisers, decomposers, herbivores and primary and secondary carnivores) has also been shown to produce Daisyworld like regulation and stability, which helps to explain planetary biological diversity. This enables nutrient recycling within a regulatory framework derived by natural selection amongst species, where one being's harmful waste becomes low energy food for members of another guild. This research on the Redfield ratio of nitrogen to phosphorus shows that local biotic processes can regulate global systems (See Keith Downing & Peter Zvirinsky, The Simulated Evolution of Biochemical Guilds: Reconciling Gaia Theory with Natural Selection).

Оригинальный синopsis симуляции 1983 года

В начале симуляции солнечные лучи слабы, а на Дейзиворлде слишком холодно для поддержания жизни. Его поверхность бесплодна и сера. По мере увеличения светимости солнечных лучей становится возможным прорастание черных маргариток. Поскольку черные маргаритки поглощают больше солнечной энергии, они способны повысить свою температуру до комфортного уровня на все еще прохладной поверхности Дейзиворлда. В результате они процветают, и их популяция вскоре становится достаточно большой, чтобы повысить среднюю температуру поверхности Дейзиворлда. По мере нагревания поверхности она становится более пригодной для обитания белых маргариток, чья конкурирующая популяция разрастается и начинает соперничать с популяцией черных маргариток. Когда две популяции достигают равновесия, то же самое происходит и с температурой поверхности Дейзиворлда, которая стабилизируется на значении, наиболее комфортном для обеих популяций. В этой первой фазе симуляции мы видим, что черные маргаритки нагрели Дейзиворлд, сделав его пригодным для жизни в более широком диапазоне солнечной светимости, чем это было бы возможно на бесплодной, серой планете. Это позволило расти популяции белых маргариток, и теперь обе популяции маргариток работают вместе, чтобы регулировать температуру поверхности. Вторая фаза симуляции показывает, что происходит, когда светимость Солнца продолжает увеличиваться, нагревая поверхность Дейзиворлда за пределы комфортного диапазона для маргариток. Это повышение температуры дает белым маргариткам, которые лучше сохраняют прохладу благодаря высокому альбедо или способности отражать солнечный свет, селективное преимущество над черными маргаритками. Белые маргаритки начинают вытеснять черные маргаритки, что оказывает охлаждающий эффект на Дейзиворлд. В результате температура поверхности Дейзиворлда остается пригодной для жизни – фактически почти постоянной – даже при продолжающемся увеличении светимости Солнца. В третьей фазе симуляции солнечные лучи стали настолько мощными, что вскоре даже белые маргаритки не смогут выжить. При определенной светимости их популяция резко сокращается, и бесплодная, серая поверхность Дейзиворлда, больше не способная отражать солнечные лучи, быстро нагревается. В этот момент в симуляции светимость Солнца запрограммирована на снижение, повторяя свой первоначальный путь к исходному значению. Даже при снижении до уровней, которые ранее поддерживали огромные популяции маргариток в третьей фазе, ни одна маргаритка не может расти, потому что поверхность бесплодного, серого Дейзиворлда все еще слишком горяча. В конечном итоге, солнечные лучи уменьшают свою мощность до более комфортного уровня, что позволяет белым маргариткам расти и начинать охлаждать планету.

At the beginning of the simulation, the sun's rays are weak and Daisyworld is too cold to support any life. Its surface is barren, and gray. As the luminosity of the sun's rays increases, germination of black daisies becomes possible. Because black daisies absorb more of the sun's radiant energy, they are able to increase their individual temperatures to healthy levels on the still cool surface of Daisyworld. As a result, they thrive and the population soon grows large enough to increase the average surface temperature of Daisyworld. As the surface heats up, it becomes more habitable for white daisies, whose competing population grows to rival the black daisy population. As the two populations reach equilibrium, so too does the surface temperature of Daisyworld, which settles on a value most comfortable for both populations. In this first phase of the simulation we see that black daisies have warmed Daisyworld so that it is habitable over a wider range of solar luminosity than would have been possible on a barren, gray planet. This allowed growth of the white daisy population, and the two populations of daisies are now working together to regulate the surface temperature. The second phase of the simulation documents what happens as the sun's luminosity continues to increase, heating the surface of Daisyworld beyond a comfortable range for the daisies. This temperature increase causes white daisies, who are better able to stay cool because of their high albedo or ability to reflect sunlight, to gain a selective advantage over the black daisies. White daisies begin replacing black daisies, which has a cooling effect on Daisyworld. The result is that Daisyworld's surface temperature remains habitable in fact almost constant even as the luminosity of the sun continues to increase. In the third phase of the simulation, the sun's rays have grown so powerful that soon even the white daisies can no longer survive. At a certain luminosity their population crashes, and the barren, gray surface of Daisyworld, no longer able to reflect the sun's rays, rapidly heats up. At this point in the simulation solar luminosity is programmed to decline, retracing its original path to its initial value. Even as it declines to levels that previously supported vast populations of daisies in the third phase, no daisies are able to grow because the surface of barren, gray Daisyworld is still far too hot. Eventually, the sun's rays decrease in power to a more comfortable level which allows white daisies to grow, who begin cooling the planet.

Отношение к Земле

Поскольку Дейзиверлд настолько упрощен, например, в нем отсутствует атмосфера, животные, существует только один вид растений и используются лишь самые базовые модели роста и смертности популяции, его не следует напрямую сравнивать с Землей. Это было очень четко указано первоначальными авторами. Тем не менее, он позволил сделать ряд полезных прогнозов относительно того, как биосфера Земли может реагировать, например, на антропогенное воздействие. Последующие адаптации Дейзиверлда (описанные ниже), которые включали множество дополнительных уровней сложности, все равно демонстрировали те же основные тенденции, что и исходная модель. Одним из предсказаний моделирования является то, что биосфера стремится регулировать климат, поддерживая его пригодность для жизни в широком диапазоне солнечной светимости. На Земле обнаружено множество примеров подобных регуляторных систем.

Изменения в исходном моделировании

Daisyworld был разработан, чтобы опровергнуть представление о том, что в гипотезе Гайи, согласно которой поверхность Земли демонстрирует гомеостатические и гомеоретические свойства, подобные живым организмам, есть что-то изначально мистическое. В частности, рассматривался вопрос терморегуляции. Гипотеза Гайи вызвала значительную критику со стороны ученых, таких как Ричард Докинз, который утверждал, что планетарная терморегуляция невозможна без планетарного естественного отбора, что могло бы потребовать доказательств существования мертвых планет, не способных к терморегуляции. Доктор У. Форд Дулиттл отверг идею планетарного регулирования, поскольку она, казалось, требовала бы "тайного согласия" между организмами, то есть некой необъяснимой цели в планетарном масштабе. Примечательно, что ни один из этих неодарвинистов не провел тщательного анализа обширных доказательств, представленных в книгах Лавлока, которые указывали на возможность планетарного регулирования, отвергая теорию, основываясь на ее, по их мнению, несовместимости с современными представлениями об эволюционных процессах. Модель Лавлока парировала критику о необходимости какого-либо "тайного согласия" для планетарного регулирования, показав, как в этой модели терморегуляция планеты, выгодная для двух видов, возникает естественным образом. Последующая критика самого Daisyworld сосредоточена на том, что, хотя он часто используется как аналогия Земли, исходная симуляция упускает из виду многие важные детали реальной земной системы. Например, для поддержания гомеостаза системе требуется искусственно заданная скорость смертности (γ), и она не учитывает разницу между явлениями на уровне видов и на уровне отдельных особей. Противники симуляции полагали, что включение этих деталей приведет к ее нестабильности и, следовательно, к ложности. Многие из этих вопросов рассматриваются в статье 2001 года Тимоти Лентона и Джеймса Лавлока, которая показывает, что включение этих факторов на самом деле повышает способность Daisyworld регулировать свой климат.

Биоразнообразие и стабильность экосистем

Важность большого количества видов в экосистеме привела к двум группам взглядов на роль биоразнообразия в стабильности экосистем в рамках теории Гайи. В одной из школ мысли, получившей название гипотезы «избыточности видов» и предложенной австралийским экологом Брайаном Уокером, большинство видов рассматривается как вносящих незначительный вклад в общую стабильность, что сопоставимо с ролью пассажиров в самолете, не играющих существенной роли в его успешном полете. Эта гипотеза приводит к выводу о необходимости лишь нескольких ключевых видов для поддержания здоровой экосистемы. Гипотеза «выбивания заклепок», выдвинутая Полом Р. Эрлихом и его женой Энн Х. Эрлихом, сравнивает каждый вид, входящий в состав экосистемы, с заклепкой в самолете (представляющем собой экосистему). Постепенная потеря видов аналогична постепенной потере заклепок в самолете, ослабляющей его до точки, когда он становится неустойчивым и терпит крушение. Последующие расширения моделирования Daisyworld, включавшие кроликов, лис и другие виды, привели к неожиданному выводу о том, что чем больше число видов, тем сильнее положительное влияние на всю планету (то есть улучшалось регулирование температуры). Также было показано, что система оставалась устойчивой и стабильной даже при воздействии возмущений. Симуляции Daisyworld, в которых изменения окружающей среды были стабильными, со временем постепенно становились менее разнообразными; напротив, умеренные возмущения приводили к всплескам видового богатства. Эти результаты подтвердили ценность биоразнообразия. Это заключение было поддержано исследованием 1994 года, проведенным Дэвидом Тилманом и Джоном А. Даунингом, посвященным факторам, определяющим видовой состав, динамику и разнообразие в сукцессионных и целинных лугах Миннесоты, которое показало, что «первичная продуктивность в более разнообразных растительных сообществах более устойчива к сильной засухе и быстрее восстанавливается после нее». Они добавляют: «Наши результаты подтверждают гипотезу о стабильности, обусловленной разнообразием, но не альтернативную гипотезу о функциональной избыточности большинства видов».