Маргаритковый мир

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 предположение о том, что механизмы обратной связи могут развиться не благодаря классическим механизмам группового отбора, а из-за деятельности индивидуальных организмов^[2].

В модели маргариткового мира рассматривается подобная Земле планета, на которой преобладает орошаемая суша, заселённая всего двумя видами ромашек (или маргариток) — чёрными и белыми. Планета обращается вокруг звезды того же спектрального класса, что и Солнце, лучистая энергия которой медленно возрастает. Ромашки 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 почва лучше прогреется, давая селективное преимущество тёмным маргариткам, которые, способствуя прогреванию и заселению новых очагов почвы всё дальше от экватора, будут продолжать снижать альбедо и, 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 растений (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.