Gänseblümchenwelt - Daisyworld

Plots aus einer Standard-Schwarzweiß-DaisyWorld-Simulation.

Daisyworld , eine Computersimulation , ist eine hypothetische Welt , die einen Stern umkreist, dessen Strahlungsenergie langsam zu- oder abnimmt. Es soll wichtige Elemente des Erde-Sonne-Systems nachahmen und wurde von James Lovelock und Andrew Watson in einem 1983 veröffentlichten Artikel eingeführt, um die Plausibilität der Gaia-Hypothese zu veranschaulichen . In der Originalversion von 1983 enthält Daisyworld zwei Arten von Gänseblümchen als einzige Lebensformen: schwarze Gänseblümchen und weiße Gänseblümchen. Weiße Gänseblümchen reflektieren Licht , während schwarze Gänseblümchen Licht absorbieren . Die Simulation verfolgt die beiden Gänseblümchenpopulationen und die Oberflächentemperatur von Daisyworld, wenn die Sonnenstrahlen stärker werden. Die Oberflächentemperatur von Daisyworld bleibt über einen weiten Bereich der Solarleistung nahezu konstant.

Mathematisches Modell zur Stützung der Gaia-Hypothese

Der Zweck des Modells besteht darin, zu zeigen, dass sich Feedback-Mechanismen aus den Handlungen oder Aktivitäten eigennütziger Organismen entwickeln können und nicht durch klassische Gruppenselektionsmechanismen . Daisyworld untersucht den Energiehaushalt eines Planeten, der von zwei verschiedenen Pflanzenarten bevölkert ist, schwarzen Gänseblümchen und weißen Gänseblümchen. Die Farbe der Gänseblümchen beeinflusst die Albedo des Planeten, so dass schwarze Gänseblümchen Licht absorbieren und den Planeten erwärmen, während weiße Gänseblümchen Licht reflektieren und den Planeten kühlen. Der Wettbewerb zwischen den Gänseblümchen (basierend auf Temperatureffekten auf die Wachstumsraten) führt zu einem Gleichgewicht der Populationen, das tendenziell eine planetare Temperatur nahe dem Optimum für das Gänseblümchenwachstum begünstigt.

Lovelock und Watson demonstrierten die Stabilität von Daisyworld , indem sie ihre Sonne entlang der Hauptreihe entwickeln ließen , von einer niedrigen zu einer hohen Sonnenkonstante . Diese Störung des Sonnenstrahlungsempfangs von Daisyworld führte dazu, dass sich das Gleichgewicht der Gänseblümchen allmählich von Schwarz zu Weiß verlagerte, aber die Planetentemperatur wurde immer wieder auf dieses Optimum zurückgeregelt (außer an den äußersten Enden der Sonnenentwicklung). Diese Situation unterscheidet sich stark von der entsprechenden abiotischen Welt, in der die Temperatur ungeregelt ist und linear mit der Sonnenleistung ansteigt.

Spätere Versionen von Daisyworld führten eine Reihe von grauen Gänseblümchen sowie Populationen von Grasfressern und Raubtieren ein und fanden heraus, dass diese die Stabilität der Homöostase weiter erhöhten . In jüngerer Zeit, andere Forschung, die wirklichen biochemischen Zyklen der Erde Modellierung und verschiedene Arten von Organismen (zB mit photosynthesisers , Zersetzer , Pflanzenfressern und primäre und sekundäre Fleischfressern ) wurde auch Daisyworld-ähnliche Regelung und Stabilität, die hilft zu erklären , gezeigt zu produzieren planetarische biologische Vielfalt .

Dies ermöglicht Nährstoffrecycling innerhalb eines Rechtsrahmens durch abgeleitete natürliche Selektion unter Spezies , wo ein Wesens schädliche Abfälle für Mitglieder einer anderen Zunft niedrige Energie Nahrung werden. Diese Forschung zum Redfield-Verhältnis von Stickstoff zu Phosphor zeigt, dass lokale biotische Prozesse globale Systeme regulieren können (siehe Keith Downing & Peter Zvirinsky, The Simulated Evolution of Biochemical Guilds: Reconciling Gaia Theory with Natural Selection ).

Original-Simulationszusammenfassung von 1983

Ein kurzes Video über das DaisyWorld-Modell und seine Auswirkungen auf die Erdwissenschaften in der realen Welt.

Zu Beginn der Simulation sind die Sonnenstrahlen schwach und Daisyworld ist zu kalt, um Leben zu ermöglichen. Seine Oberfläche ist karg und grau. Wenn die Leuchtkraft der Sonnenstrahlen zunimmt, wird das Keimen von schwarzen Gänseblümchen möglich. Da schwarze Gänseblümchen mehr Strahlungsenergie der Sonne absorbieren , können sie auf der noch kühlen Oberfläche der Daisyworld ihre individuellen Temperaturen auf gesunde Werte anheben. Infolgedessen gedeihen sie und die Population wächst bald groß genug, um die durchschnittliche Oberflächentemperatur von Daisyworld zu erhöhen.

Wenn sich die Oberfläche erwärmt, wird sie für weiße Gänseblümchen bewohnbarer, deren konkurrierende Population wächst, um mit der schwarzen Gänseblümchenpopulation zu konkurrieren. Wenn die beiden Populationen ein Gleichgewicht erreichen , ändert sich auch die Oberflächentemperatur von Daisyworld, die sich auf einen für beide Populationen angenehmsten Wert einpendelt.

In dieser ersten Phase der Simulation sehen wir, dass schwarze Gänseblümchen die Daisyworld so erwärmt haben, dass sie über einen größeren Bereich der Sonnenhelligkeit bewohnbar ist, als dies auf einem kargen, grauen Planeten möglich gewesen wäre. Dies ermöglichte ein Wachstum der weißen Gänseblümchenpopulation, und die beiden Gänseblümchenpopulationen arbeiten jetzt zusammen, um die Oberflächentemperatur zu regulieren.

Die zweite Phase der Simulation dokumentiert, was passiert, wenn die Leuchtkraft der Sonne weiter zunimmt und die Oberfläche von Daisyworld über einen für die Gänseblümchen angenehmen Bereich hinaus erwärmt wird. Dieser Temperaturanstieg führt dazu, dass weiße Gänseblümchen, die aufgrund ihrer hohen Albedo oder der Fähigkeit, Sonnenlicht zu reflektieren, besser kühl bleiben können, einen selektiven Vorteil gegenüber den schwarzen Gänseblümchen erzielen. Weiße Gänseblümchen beginnen, schwarze Gänseblümchen zu ersetzen, was eine kühlende Wirkung auf Daisyworld hat. Das Ergebnis ist, dass die Oberflächentemperatur von Daisyworld bewohnbar bleibt – tatsächlich fast konstant – selbst wenn die Leuchtkraft der Sonne weiter zunimmt.

In der dritten Phase der Simulation sind die Sonnenstrahlen so stark geworden, dass bald selbst die weißen Gänseblümchen nicht mehr überleben können. Ab einer gewissen Leuchtkraft bricht ihre Bevölkerung zusammen, und die karge, graue Oberfläche der Daisyworld, die die Sonnenstrahlen nicht mehr reflektieren kann, erwärmt sich schnell.

An diesem Punkt in der Simulation ist die Sonnenhelligkeit so programmiert, dass sie abnimmt und ihren ursprünglichen Weg auf ihren Anfangswert zurückverfolgt. Auch wenn es in der dritten Phase auf ein Niveau sinkt, das zuvor riesige Populationen von Gänseblümchen unterstützte, können keine Gänseblümchen wachsen, da die Oberfläche der kahlen, grauen Gänseblümchenwelt immer noch viel zu heiß ist. Schließlich nimmt die Leistung der Sonnenstrahlen auf ein angenehmeres Niveau ab, wodurch weiße Gänseblümchen wachsen können, die den Planeten abkühlen.

Relevanz für die Erde

Da Daisyworld so simpel ist und zum Beispiel keine Atmosphäre , keine Tiere, nur eine Pflanzenart und nur die grundlegendsten Modelle für Bevölkerungswachstum und -tod hat, sollte es nicht direkt mit der Erde verglichen werden. Dies wurde von den ursprünglichen Autoren sehr deutlich gesagt. Trotzdem lieferte es eine Reihe nützlicher Vorhersagen darüber, wie die Biosphäre der Erde beispielsweise auf menschliche Eingriffe reagieren könnte. Spätere Anpassungen von Daisyworld (siehe unten), die viele Ebenen der Komplexität hinzufügten, zeigten immer noch die gleichen grundlegenden Trends des ursprünglichen Modells.

Eine Vorhersage der Simulation ist, dass die Biosphäre das Klima reguliert und sie über einen weiten Bereich der Sonnenhelligkeit bewohnbar macht . Viele Beispiele für diese Regulierungssysteme wurden auf der Erde gefunden.

Änderungen an der Originalsimulation

Daisyworld wurde entwickelt, um die Idee zu widerlegen, dass die Gaia-Hypothese, dass die Erdoberfläche homöostatische und homöorhetische Eigenschaften aufweist, die denen eines lebenden Organismus ähneln, etwas Mystisches an sich hat. Insbesondere wurde die Thermoregulation angesprochen. Die Gaia-Hypothese hatte erhebliche Kritik von Wissenschaftlern wie Richard Dawkins auf sich gezogen, die argumentierten, dass eine Thermoregulation auf Planetenebene ohne planetarische natürliche Selektion unmöglich sei, was Beweise für tote Planeten beinhalten könnte, die nicht thermoregulieren. Dr. W. Ford Doolittle lehnte die Idee der planetaren Regulierung ab, weil sie einen "geheimen Konsens" unter den Organismen zu erfordern schien, also einen unerklärlichen Zweck auf planetarischer Ebene. Übrigens hat keiner dieser NeoDarwinianer die weitreichenden Beweise in Lovelocks Büchern genau untersucht, die auf eine planetare Regulierung hindeuten, und die Theorie aufgrund ihrer Unvereinbarkeit mit den neuesten Ansichten über die Prozesse, nach denen die Evolution funktioniert, abgelehnt. Lovelocks Modell entgegnete der Kritik, dass für die planetare Regulierung ein gewisser „geheimer Konsens“ erforderlich sei, indem es zeigte, wie in diesem Modell die für die beiden Arten vorteilhafte Thermoregulation des Planeten auf natürliche Weise entsteht.

Spätere Kritik an Daisyworld selbst konzentriert sich auf die Tatsache, dass die ursprüngliche Simulation, obwohl sie oft als Analogie für die Erde verwendet wird, viele wichtige Details des wahren Erdsystems auslässt. Zum Beispiel erfordert das System eine Ad-hoc-Sterblichkeitsrate (γ), um die Homöostase aufrechtzuerhalten, und es berücksichtigt nicht den Unterschied zwischen Phänomenen auf Artenebene und Phänomenen auf individueller Ebene. Kritiker der Simulation glaubten, dass die Einbeziehung dieser Details dazu führen würde, dass sie instabil und daher falsch wird. Viele dieser Probleme werden in einem Papier von 2001 von Timothy Lenton und James Lovelock angesprochen, das zeigt, dass die Einbeziehung dieser Faktoren tatsächlich die Fähigkeit von Daisyworld verbessert, sein Klima zu regulieren.

Biodiversität und Stabilität von Ökosystemen

Die Bedeutung der großen Anzahl von Arten in einem Ökosystem führte zu zwei Ansichten über die Rolle der Biodiversität für die Stabilität von Ökosystemen in der Gaia-Theorie. In einer Denkschule, die als "Speziesredundanz"-Hypothese bezeichnet wird, die vom australischen Ökologen Brian Walker vorgeschlagen wurde , wird den meisten Arten ein insgesamt geringer Beitrag zur Stabilität zugeschrieben, vergleichbar mit den Passagieren in einem Flugzeug, die bei seinem erfolgreichen Flug nur eine geringe Rolle spielen. Die Hypothese führt zu dem Schluss, dass für ein gesundes Ökosystem nur wenige Schlüsselarten notwendig sind. Die "Niet-Popper"-Hypothese von Paul R. Ehrlich und seiner Frau Anne H. Ehrlich vergleicht jede Art, die Teil eines Ökosystems ist, mit einer Niete am Flugzeug (repräsentiert durch das Ökosystem). Der fortschreitende Artenverlust spiegelt den fortschreitenden Verlust von Nieten aus dem Flugzeug wider und schwächt es, bis es nicht mehr haltbar ist und abstürzt.

Spätere Erweiterungen der Daisyworld-Simulation, die Kaninchen , Füchse und andere Arten einschlossen , führten zu einer überraschenden Erkenntnis, dass die Verbesserungseffekte auf den gesamten Planeten umso größer sind (dh die Temperaturregulierung wurde verbessert), je größer die Anzahl der Arten ist. Es zeigte sich auch, dass das System auch bei Störungen robust und stabil war. Daisyworld-Simulationen, bei denen die Umweltveränderungen stabil waren, wurden im Laufe der Zeit allmählich weniger vielfältig; im Gegensatz dazu führten sanfte Störungen zu Ausbrüchen von Artenreichtum. Diese Ergebnisse unterstützten die Idee, dass Biodiversität wertvoll ist.

Dieses Ergebnis wurde durch eine 1994 von David Tilman und John A. Downing durchgeführte Studie zu den Faktoren Artenzusammensetzung, Dynamik und Diversität in sukzessiven und einheimischen Grasländern in Minnesota unterstützt, die zu dem Schluss kam, dass „die Primärproduktivität in vielfältigeren Pflanzengemeinschaften widerstandsfähiger ist und sich erholt“ vollständiger von einer großen Dürre". Sie fügen hinzu: „Unsere Ergebnisse unterstützen die Diversitätsstabilitätshypothese, aber nicht die Alternativhypothese, dass die meisten Arten funktionell redundant sind“.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links