Daisyworld

Plots från en vanlig svartvit DaisyWorld-simulering.

Daisyworld , en datorsimulering , är en hypotetisk värld som kretsar kring en stjärna vars strålningsenergi långsamt ökar eller minskar. Det är tänkt att efterlikna viktiga delar av jord-sol-systemet, och introducerades av James Lovelock och Andrew Watson i en tidning publicerad 1983 för att illustrera rimligheten i Gaia-hypotesen . I den ursprungliga versionen från 1983 är Daisyworld sådd med två varianter av prästkragar som sina enda livsformer: svarta prästkragar och vita prästkragar. Vita prästkragar med kronblad reflekterar ljus , medan svarta prästkragar absorberar ljus. Simuleringen spårar de två tusenskönapopulationerna och yttemperaturen på Daisyworld när solens strålar blir starkare. Yttemperaturen på Daisyworld förblir nästan konstant över ett brett spektrum av solenergi.

Matematisk modell för att stödja Gaia-hypotesen

Syftet med modellen är att visa att återkopplingsmekanismer kan utvecklas från handlingar eller aktiviteter av egenintresserade organismer, snarare än genom klassiska gruppselektionsmekanismer . Daisyworld undersöker energibudgeten för en planet befolkad av två olika typer av växter, svarta prästkragar och vita prästkragar. Färgen på prästkragarna påverkar planetens albedo så att svarta prästkragar absorberar ljus och värmer planeten, medan vita prästkragar reflekterar ljus och kyler planeten. Konkurrens mellan prästkragarna (baserat på temperatureffekter på tillväxthastigheter) leder till en balans av populationer som tenderar att gynna en planettemperatur nära det optimala för prästkragars tillväxt.

Lovelock och Watson demonstrerade stabiliteten hos Daisyworld genom att få dess sol att utvecklas längs huvudsekvensen och ta den från låg till hög solkonstant . Denna störning av Daisyworlds mottagande av solstrålning gjorde att balansen mellan tusenskönor gradvis skiftade från svart till vitt, men planettemperaturen reglerades alltid tillbaka till detta optimala (förutom vid de extrema ändarna av solutvecklingen). Denna situation skiljer sig mycket från den motsvarande abiotiska världen, där temperaturen är oreglerad och stiger linjärt med soleffekten.

Senare versioner av Daisyworld introducerade en rad grå prästkragar, såväl som populationer av betar och rovdjur , och fann att dessa ytterligare ökade stabiliteten hos homeostasen . På senare tid har annan forskning, modellering av jordens verkliga biokemiska cykler och användning av olika typer av organismer (t.ex. fotosynteser , nedbrytare , växtätare och primära och sekundära köttätare ) också visat sig producera Daisyworld-liknande reglering och stabilitet, vilket hjälper till att förklara planetarisk biologisk mångfald .

Detta möjliggör återvinning av näringsämnen inom ett regelverk som härrör från naturligt urval bland arter , där en varelses skadliga avfall blir lågenergimat för medlemmar i ett annat skrå. Denna forskning om Redfield-förhållandet mellan kväve och fosfor visar att lokala biotiska processer kan reglera globala system (Se Keith Downing [ permanent död länk ] & Peter Zvirinsky, The Simulated Evolution of Biochemical Guilds: Reconciling Gaia Theory with Natural Selection ) .

Original 1983 simuleringssynopsis

En kort video om DaisyWorld-modellen och dess konsekvenser för den verkliga världens jordvetenskap.

I början av simuleringen är solens strålar svaga och Daisyworld är för kallt för att försörja något liv. Dess yta är karg och grå. När ljusstyrkan hos solens strålar ökar, blir groning av svarta prästkragar möjlig. Eftersom svarta prästkragar absorberar mer av solens strålningsenergi , kan de höja sina individuella temperaturer till hälsosamma nivåer på den fortfarande svala ytan av Daisyworld. Som ett resultat trivs de och befolkningen växer snart tillräckligt stor för att öka den genomsnittliga yttemperaturen på Daisyworld.

När ytan värms upp blir den mer beboelig för vita prästkragar, vars konkurrerande befolkning växer för att konkurrera med den svarta prästkragen. När de två populationerna når jämvikt , gör det också yttemperaturen i Daisyworld, som sätter sig på ett värde som är mest bekvämt för båda populationerna.

I denna första fas av simuleringen ser vi att svarta tusenskönor har värmt upp Daisyworld så att den är beboelig över ett bredare spektrum av solenergi än vad som skulle ha varit möjligt på en karg, grå planet. Detta möjliggjorde tillväxt av den vita prästkragepopulationen, och de två prästkragepopulationerna arbetar nu tillsammans för att reglera yttemperaturen.

Den andra fasen av simuleringen dokumenterar vad som händer när solens ljusstyrka fortsätter att öka, vilket värmer upp Daisyworlds yta bortom en bekväm räckvidd för tusenskönor. Denna temperaturökning gör att vita prästkragar, som bättre kan hålla sig svala på grund av sin höga albedo eller förmåga att reflektera solljus, får en selektiv fördel gentemot de svarta prästkragarna. Vita prästkragar börjar ersätta svarta prästkragar, vilket har en kylande effekt på Daisyworld. Resultatet är att Daisyworlds yttemperatur förblir beboelig - faktiskt nästan konstant - även när solens ljusstyrka fortsätter att öka.

I den tredje fasen av simuleringen har solens strålar blivit så kraftfulla att snart inte ens de vita prästkragarna längre kan överleva. Vid en viss ljusstyrka kraschar deras befolkning, och Daisyworlds karga, grå yta, som inte längre kan reflektera solens strålar, värms snabbt upp.

Vid denna tidpunkt i simuleringen programmeras solenergins ljusstyrka att sjunka, vilket leder tillbaka sin ursprungliga väg till dess initiala värde. Även när den sjunker till nivåer som tidigare stödde stora populationer av prästkragar i den tredje fasen, kan inga prästkragar växa eftersom ytan på den karga, gråa Daisyworld fortfarande är alldeles för varm. Så småningom minskar solens strålar i kraft till en mer bekväm nivå som gör att vita prästkragar växer, som börjar kyla planeten.

Relevans för jorden

Eftersom Daisyworld är så förenklat, med till exempel ingen atmosfär , inga djur, bara en art av växtliv och bara de mest grundläggande befolkningstillväxt- och dödsmodellerna, bör den inte direkt jämföras med jorden. Detta sades mycket tydligt av de ursprungliga författarna. Trots det gav den ett antal användbara förutsägelser om hur jordens biosfär kan reagera på, till exempel, mänsklig störning. Senare anpassningar av Daisyworld (diskuterade nedan), som lade till många lager av komplexitet, visade fortfarande samma grundläggande trender som den ursprungliga modellen.

En förutsägelse av simuleringen är att biosfären arbetar för att reglera klimatet , vilket gör den beboelig över ett brett spektrum av solenergi. Många exempel på dessa regleringssystem har hittats på jorden. [ citat behövs ]

Ändringar av den ursprungliga simuleringen

Daisyworld designades för att motbevisa tanken att det fanns något i sig mystiskt med Gaia-hypotesen att jordens yta uppvisar homeostatiska och homeoretiska egenskaper som liknar en levande organisms. Specifikt behandlades termoreglering. Gaia-hypotesen hade tilldragit sig en betydande mängd kritik från forskare som Richard Dawkins, som hävdade att termoreglering på planetnivå var omöjlig utan planetariskt naturligt urval, vilket kan innebära bevis på döda planeter som inte värmereglerade. Dr W. Ford Doolittle avvisade idén om planetarisk reglering eftersom det verkade kräva en "hemlig konsensus" bland organismer, alltså något slags oförklarligt syfte på planetarisk skala. För övrigt gjorde ingen av dessa neodarwinister en noggrann granskning av de omfattande bevis som presenterades i Lovelocks böcker som tydde på planetarisk reglering, och avfärdade teorin baserat på vad de såg som dess oförenlighet med de senaste åsikterna om de processer genom vilka evolution fungerar. Lovelocks modell motverkade kritiken att någon "hemlig konsensus" skulle krävas för planetarisk reglering genom att visa hur termoreglering av planeten i denna modell, gynnsam för de två arterna, uppstår naturligt.

Senare kritik av Daisyworld själv fokuserar på det faktum att även om det ofta används som en analogi för jorden, utelämnar den ursprungliga simuleringen många viktiga detaljer om det sanna jordsystemet. Till exempel kräver systemet en ad-hoc-dödlighet (γ) för att upprätthålla homeostas, och det tar inte hänsyn till skillnaden mellan fenomen på artnivå och fenomen på individuell nivå. Mottagare av simuleringen trodde att inkludering av dessa detaljer skulle få den att bli instabil och därför falsk. Många av dessa frågor tas upp i en artikel från 2001 av Timothy Lenton och James Lovelock, som visar att inkludering av dessa faktorer faktiskt förbättrar Daisyworlds förmåga att reglera sitt klimat.

Biologisk mångfald och ekosystems stabilitet

Vikten av det stora antalet arter i ett ekosystem ledde till två uppsättningar synpunkter om den roll som biologisk mångfald spelar för stabiliteten hos ekosystem i Gaia-teorin. I en tankeskola märkt "arter överflödig"-hypotesen, föreslagen av den australiensiske ekologen Brian Walker , ses de flesta arter ha litet bidrag totalt sett till stabiliteten, jämförbara med passagerarna i ett flygplan som spelar liten roll i dess framgångsrika flygning. Hypotesen leder till slutsatsen att endast ett fåtal nyckelarter är nödvändiga för ett hälsosamt ekosystem. "Nit-popper"-hypotesen som lagts fram av Paul R. Ehrlich och hans fru Anne H. Ehrlich jämför varje art som utgör en del av ett ekosystem med en nit på flygplanet (representerad av ekosystemet). Den progressiva förlusten av arter speglar den progressiva förlusten av nitar från planet, vilket försvagar det tills det inte längre är hållbart och kraschar.

Senare förlängningar av Daisyworld-simuleringen som inkluderade kaniner , rävar och andra arter, ledde till ett överraskande fynd att ju fler arter desto större blev de förbättrande effekterna på hela planeten (dvs temperaturregleringen förbättrades). Det visade också att systemet var robust och stabilt även när det stördes. Daisyworld-simuleringar där miljöförändringar var stabila blev gradvis mindre olika med tiden; däremot ledde milda störningar till utbrott av artrikedom. Dessa fynd gav stöd till tanken att biologisk mångfald är värdefullt.

Detta fynd stöddes av en studie från 1994 av faktorerna artsammansättning , dynamik och mångfald i successiva och inhemska gräsmarker i Minnesota av David Tilman och John A. Downing som drog slutsatsen att "primär produktivitet i mer olika växtsamhällen är mer motståndskraftig mot och återhämtar sig mer fullständigt från en stor torka". De fortsätter med att lägga till "Våra resultat stöder hypotesen om mångfaldsstabilitet men inte den alternativa hypotesen att de flesta arter är funktionellt överflödiga".

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Daisyworld&oldid=1136634263 "