Daisyworld

Графики стандартного двухцветного маргариткового мира

Маргаритковый мир (англ. Daisyworld) — компьютерная модель условного мира, предназначенная для имитации важных процессов в биосфере Земли под влиянием Солнца. Введена Джеймсом Лавлоком и Эндрю Уотсоном в работе, опубликованной в 1983 году[1], для того, чтобы показать правдоподобность гипотезы Геи.


Моделирование[ | ]

Цель модели состоит в том, чтобы продемонстрировать теорию о том, что механизмы обратной связи могут развиться не благодаря классическим механизмам группового отбора, а из-за личных предпочтений организмов[2].

В модели маргариткового мира рассматривается подобная Земле планета, на которой преобладает орошаемая суша, заселённая маргаритками всего двух расцветок — чёрной и белой. Планета обращается вокруг звезды того же спектрального класса, что и Солнце, лучистая энергия которой медленно возрастает. Маргаритки на планете способны существовать лишь в температурном диапазоне от 5 до 40 °С, при этом оптимальная температура для них — 20 °С.

Согласно современной астрофизической гипотезе, по мере старения звезды, близкой по параметрам к Солнцу, её лучистая энергия начинает линейно возрастать. По мере прогревания планеты на экваторе достигается минимальное значение температуры (5 °С), при которой возможно произрастание маргариток. Там, где первоначально окажется немного больше тёмных маргариток, отражательная способность (альбедо) планетной поверхности снизится, и грунт лучше прогреется, дав селективное преимущество тёмным маргариткам, которые, способствуя прогреванию и заселению новых очагов почвы всё дальше от экватора, будут продолжать снижать альбедо, а, следовательно, всё больше расширять свой ареал по сравнению с белыми маргаритками. Наконец, вся планета окажется захвачена маргаритками тёмных расцветок.

Затем, по мере дальнейшего повышения энергии, приходящей от звезды, температура на экваторе превысит оптимальную для цветов — 20 °С. С этого момента преимущество переходит на сторону маргариток со светлой окраской цветков, которые повышают альбедо, охлаждая территорию, и тем самым создавая для себя комфортные условия сначала на экваторе, а затем — всё дальше к полюсам. Тёмные маргаритки теперь селективно проигрывают.

Наконец, наступает переломный момент, когда температура на экваторе превышает отметку 40 °С, за которой невозможна жизнь маргариток. И вот, начиная от экватора, жаркая зона охватывает всю планету, превращая её в безжизненную пустыню.

Математический расчёт, проведённый Лавлоком, выявил закономерность: средняя температура на заселённой маргаритками планете, несмотря на возрастание активности звезды, практически всё время остаётся постоянной, составляя оптимальные для маргариток 20 °С. Таким образом, даже примитивная биосфера способна оказывать глобальное влияние с отрицательной обратной связью, при том что каждый компонент системы работает с положительной. Эта ситуация очень отличается от существующей в безжизненном мире, где температура не регулируется и возрастает линейно с ростом лучистой энергии звезды.

В более поздних версиях маргариткового мира была введёна популяция серых маргариток, а планета населена травоядными и хищниками. Оказалось, что это способствовало даже увеличению гомеостаза. В новейших исследованиях моделировались реальные биохимические циклы Земли и различные гильдии живых существ (например, фотосинтезаторы, редуценты, травоядные, первичные и вторичные хищники) и были показаны наличие эффекта регулирования и стабильность, подобные первоначальному маргаритковому миру. Эти модели помогают объяснить разнообразие форм жизни на нашей планете.

Так, путём естественного отбора возникает цикл переработки питательных веществ в биосфере, когда вредные отходы одного существа становятся источником энергии для другого. Исследование о соотношении азота и фосфора показывает, что локальные биотические процессы могут регулировать глобальные системы[3].

Актуальность гипотезы для Земли[ | ]

Видео о модели маргариткового мира

Поскольку модель маргариткового мира весьма проста, её не следует прямо сопоставлять с Землёй, о чём чётко заявили авторы модели. Тем не менее, она обеспечивает ряд полезных предсказаний о том, каков, например, может быть ответ земной биосферы на вмешательство человека.

Позже добавление к маргаритковому миру множества дополнительных уровней сложности не вызвало противоречий, но показало те же основные тенденции, что и в исходной модели. Одним из результатов моделирования является прогноз того, что биосфера Земли способна регулировать климатические условия для поддержания жизни в широком диапазоне солнечной светимости. Многие примеры таких систем саморегулирования были найдены в природе.

Модификация исходной модели[ | ]

Расширение модели маргариткового мира, которое включило кроликов, лисиц и другие виды, привело к неожиданному открытию: чем больше разнообразие видов, тем сильнее влияние биосферы на всю планету (например, улучшается температурное регулирование). Моделирование также показало, что система была надёжной и устойчивой даже при потрясениях. При этом при симуляции медленных изменений в окружающей среде богатство видов постепенно утрачивается; напротив, возмущения в системе приводят к всплеску видового разнообразия. Эти данные оказали поддержку мнению о ценности биологической вариативности[4].

Концепция маргариткового мира была разработана, чтобы опровергнуть критику о «мистической» подоплёке гипотезы Геи об органическом единстве биосферы. Значительный объём критики поступил со стороны таких ученых, как Ричард Докинз[5], которые утверждали, что терморегуляция планетарного уровня невозможна без глобального естественного отбора. Доктор У. Форд Дулиттл[6] отверг понятие планетарного регулирования, потому что, по его мнению, это требует «тайного согласия» между организмами для следовании какой-то необъяснимой цели планетарного масштаба. Оба неодарвиниста указывали на отсутствие движущего механизма. Модель Лавлока успешно противостояла этой критике, показав, что регулирование естественно возникает в пределах некоего диапазона температур. Для терморегуляции маргаритковому миру не нужна ни сознательная цель, ни групповой естественный отбор[7].

Позже критики маргариткового мира сосредоточили внимание на том факте, что искусственное моделирование упускает многие важные детали истинной системы «Земля—Солнце». Например, реальная система требует для поддержания гомеостаза определённого уровня смертности и должна учитывать различия между видами. Критики моделирования считают, что включение этих деталей будет приводить к неустойчивости системы, и, следовательно, модель при этих условиях неприменима. Многие из этих вопросов рассматриваются в более поздней работе Тимоти Лентона и Джеймса Лавлока 2001 года[8]. В работе показано, что включение этих факторов на самом деле улучшает способность маргариткового мира регулировать климат.

Маргаритковый мир в популярной культуре[ | ]

  • Версия маргариткового мира с несколькими видами маргариток серых оттенков была включена в видеоигру SimEarth компании Maxis.
  • В романе «Ксеноцид» Орсона Скотта Карда на маргаритковый мир приведены несколько ссылок.
  • Маргаритковый мир упоминается в британском сериале «Возмездие» (Edge of Darkness).

Примечания[ | ]

  1. Watson, A.J.; J.E. Lovelock. Biological homeostasis of the global environment: the parable of Daisyworld (англ.) // Tellus B (англ.) : journal. — International Meteorological Institute, 1983. — Vol. 35, no. 4. — P. 286—289. — doi:10.1111/j.1600-0889.1983.tb00031.x. — Bibcode1983TellB..35..284W.
  2. Watson, A.J.; Lovelock, J.E. Biological homeostasis of the global environment: the parable of Daisyworld (англ.) // Tellus : journal. — 1983. — Vol. 35B. — P. 286—289. — doi:10.1111/j.1600-0889.1983.tb00031.x. — Bibcode1983TellB..35..284W.
  3. Keith Downing & Peter Zvirinsky, The Simulated Evolution of Biochemical Guilds: Reconciling Gaia Theory with Natural Selection.
  4. James Lovelock. The ages of Gaia: a biography of our living Earth (англ.). — Oxford University Press, 2000. — P. 213—216. — ISBN 9780192862174.
  5. Dawkins, R. The extended phenotype: the long reach of the gene (англ.). — Oxford University Press, 1982. — ISBN 0-19-286088-7.
  6. Doolittle, W.F. «Is nature really motherly?» The Coevolution Quarterly, Spring:58-63, 1981.
  7. Sagan, D. and Whiteside, J. «Gradient-reduction theory: thermodynamics and the purpose of life» in Scientists Debate Gaia: The Next Century, MIT Press, Stephen H. Schneider, James R. Miller, Eileen Crist, and Penelope J. Boston, eds, pp. 173—186, 2004.
  8. Lenton, T.M.; J.E. Lovelock. Daisyworld revisited: quantifying biological effects on planetary self-regulation (англ.) // Tellus Series B - Chemical and Physical Meterology (англ.) : journal. — 2001. — Vol. 53, no. 3. — P. 288—305. — doi:10.1034/j.1600-0889.2001.01191.x.

Литература и полезные ссылки[ | ]

Ссылки[ | ]