Daisyworld - Daisyworld

Plotagens de uma simulação DaisyWorld em preto e branco padrão.

Daisyworld , uma simulação de computador , é um mundo hipotético orbitando uma estrela cuja energia radiante está aumentando ou diminuindo lentamente. Pretende imitar elementos importantes do sistema Terra-Sol e foi apresentado por James Lovelock e Andrew Watson em um artigo publicado em 1983 para ilustrar a plausibilidade da hipótese de Gaia . Na versão original de 1983, Daisyworld é semeado com duas variedades de margaridas como suas únicas formas de vida: margaridas pretas e margaridas brancas. Margaridas com pétalas brancas refletem a luz , enquanto as margaridas com pétalas negras absorvem a luz. A simulação rastreia as duas populações de margaridas e a temperatura da superfície de Daisyworld conforme os raios do sol ficam mais poderosos. A temperatura da superfície de Daisyworld permanece quase constante em uma ampla faixa de produção solar.

Modelo matemático para sustentar a hipótese de Gaia

O objetivo do modelo é demonstrar que os mecanismos de feedback podem evoluir a partir de ações ou atividades de organismos com interesses próprios, em vez de por meio de mecanismos clássicos de seleção de grupo . Daisyworld examina o orçamento de energia de um planeta povoado por dois tipos diferentes de plantas, margaridas pretas e margaridas brancas. A cor das margaridas influencia o albedo do planeta de tal forma que as margaridas pretas absorvem a luz e aquecem o planeta, enquanto as margaridas brancas refletem a luz e esfriam o planeta. A competição entre as margaridas (com base nos efeitos da temperatura sobre as taxas de crescimento) leva a um equilíbrio das populações que tende a favorecer uma temperatura planetária próxima ao ideal para o crescimento das margaridas.

Lovelock e Watson demonstraram a estabilidade de Daisyworld fazendo seu sol evoluir ao longo da sequência principal , levando-o de baixa para alta constante solar . Essa perturbação do recebimento da radiação solar no mundo das margaridas fez com que o equilíbrio das margaridas mudasse gradualmente de preto para branco, mas a temperatura planetária sempre foi regulada de volta a esse ótimo (exceto nos extremos da evolução solar). Esta situação é muito diferente do mundo abiótico correspondente , onde a temperatura não é regulada e aumenta linearmente com a produção solar.

Versões posteriores de Daisyworld introduziram uma série de margaridas cinzas, bem como populações de pastores e predadores , e descobriram que isso aumentava ainda mais a estabilidade da homeostase . Mais recentemente, outras pesquisas, modelando os ciclos bioquímicos reais da Terra e usando vários tipos de organismos (por exemplo , fotossintetizadores , decompositores , herbívoros e carnívoros primários e secundários ) também mostraram produzir regulação e estabilidade semelhantes ao mundo das margaridas, o que ajuda a explicar diversidade biológica planetária .

Isso permite a reciclagem de nutrientes dentro de uma estrutura regulatória derivada da seleção natural entre as espécies , onde os resíduos prejudiciais de um ser tornam-se alimentos de baixa energia para membros de outra guilda. Esta pesquisa sobre a proporção de Redfield de nitrogênio para fósforo mostra que os processos bióticos locais podem regular sistemas globais (Veja Keith Downing & Peter Zvirinsky, The Simulated Evolution of Biochemical Guilds: Reconciling Gaia Theory with Natural Selection ).

Sinopse da simulação original de 1983

Um breve vídeo sobre o modelo DaisyWorld e suas implicações para as ciências da terra do mundo real.

No início da simulação, os raios de sol são fracos e Daisyworld é muito frio para sustentar qualquer vida. Sua superfície é estéril e cinza. À medida que a luminosidade dos raios do sol aumenta, a germinação de margaridas pretas torna-se possível. Como as margaridas negras absorvem mais energia radiante do sol , elas são capazes de aumentar suas temperaturas individuais para níveis saudáveis ​​na superfície ainda fria do mundo das margaridas. Como resultado, eles prosperam e a população logo cresce o suficiente para aumentar a temperatura média da superfície do mundo das margaridas.

Conforme a superfície esquenta, ela se torna mais habitável para margaridas brancas, cuja população rival cresce para rivalizar com a população de margaridas pretas. À medida que as duas populações atingem o equilíbrio , o mesmo ocorre com a temperatura da superfície do Mundo das Margaridas, que se estabelece em um valor mais confortável para ambas as populações.

Nesta primeira fase da simulação, vemos que margaridas negras aqueceram o mundo das Margaridas de modo que é habitável em uma faixa mais ampla de luminosidade solar do que seria possível em um planeta cinza estéril. Isso permitiu o crescimento da população de margaridas brancas, e as duas populações de margaridas agora estão trabalhando juntas para regular a temperatura da superfície.

A segunda fase da simulação documenta o que acontece à medida que a luminosidade do sol continua aumentando, aquecendo a superfície do mundo das margaridas além de uma faixa confortável para as margaridas. Esse aumento de temperatura faz com que as margaridas brancas, que são mais capazes de se manter frias por causa de seu alto albedo ou capacidade de refletir a luz solar, ganhem uma vantagem seletiva sobre as margaridas pretas. As margaridas brancas começam a substituir as margaridas pretas, o que tem um efeito de resfriamento no mundo das margaridas. O resultado é que a temperatura da superfície do Daisyworld permanece habitável - na verdade, quase constante - mesmo que a luminosidade do sol continue a aumentar.

Na terceira fase da simulação, os raios de sol se tornaram tão poderosos que logo até as margaridas brancas não podem mais sobreviver. Com uma certa luminosidade, sua população cai e a superfície estéril e cinza do mundo das Margaridas, incapaz de refletir os raios do sol, aquece rapidamente.

Nesse ponto da simulação, a luminosidade solar é programada para declinar, retornando ao seu caminho original até o valor inicial. Mesmo quando diminui para níveis que anteriormente suportavam vastas populações de margaridas na terceira fase, nenhuma margarida é capaz de crescer porque a superfície estéril e cinza do mundo das margaridas ainda é quente demais. Eventualmente, os raios do sol diminuem em potência para um nível mais confortável que permite o crescimento de margaridas brancas, que começam a resfriar o planeta.

Relevância para a Terra

Porque Daisyworld é tão simplista, tendo, por exemplo, nenhuma atmosfera , nenhum animal, apenas uma espécie de vida vegetal e apenas os modelos mais básicos de crescimento populacional e morte, ele não deve ser diretamente comparado à Terra. Isso foi afirmado muito claramente pelos autores originais. Mesmo assim, forneceu uma série de previsões úteis de como a biosfera da Terra pode responder, por exemplo, à interferência humana. As adaptações posteriores de Daisyworld (discutidas abaixo), que adicionaram muitas camadas de complexidade, ainda mostraram as mesmas tendências básicas do modelo original.

Uma previsão da simulação é que a biosfera funcione para regular o clima , tornando-a habitável em uma ampla faixa de luminosidade solar. Muitos exemplos desses sistemas regulatórios foram encontrados na Terra.

Modificações na simulação original

Daisyworld foi projetado para refutar a ideia de que havia algo inerentemente místico sobre a hipótese de Gaia de que a superfície da Terra exibe propriedades homeostáticas e homeoréticas semelhantes às de um organismo vivo. Especificamente, a termorregulação foi abordada. A hipótese de Gaia atraiu uma quantidade substancial de críticas de cientistas como Richard Dawkins, que argumentou que a termorregulação em nível planetário era impossível sem a seleção natural planetária, que poderia envolver evidências de planetas mortos que não termorregulam. O Dr. W. Ford Doolittle rejeitou a noção de regulação planetária porque parecia exigir um "consenso secreto" entre os organismos, portanto, algum tipo de propósito inexplicável em escala planetária. A propósito, nenhum desses neodarwinistas fez um exame minucioso da ampla evidência apresentada nos livros de Lovelock que era sugestiva de regulação planetária, descartando a teoria com base no que eles viam como sua incompatibilidade com as últimas visões sobre os processos pelos quais a evolução funciona. O modelo de Lovelock rebateu a crítica de que algum "consenso secreto" seria necessário para a regulação planetária, mostrando como nesse modelo a termorregulação do planeta, benéfica para as duas espécies, surge naturalmente.

As críticas posteriores ao próprio Daisyworld centram-se no fato de que, embora seja freqüentemente usado como uma analogia para a Terra, a simulação original deixa de fora muitos detalhes importantes do verdadeiro sistema terrestre. Por exemplo, o sistema requer uma taxa de mortalidade ad-hoc (γ) para sustentar a homeostase e não leva em consideração a diferença entre fenômenos em nível de espécie e fenômenos em nível individual. Detratores da simulação acreditavam que a inclusão desses detalhes faria com que ela se tornasse instável e, portanto, falsa. Muitas dessas questões são abordadas em um artigo de 2001 de Timothy Lenton e James Lovelock, que mostra que a inclusão desses fatores na verdade melhora a capacidade de Daisyworld de regular seu clima.

Biodiversidade e estabilidade dos ecossistemas

A importância do grande número de espécies em um ecossistema, levou a dois conjuntos de visões sobre o papel desempenhado pela biodiversidade na estabilidade dos ecossistemas na teoria de Gaia. Em uma escola de pensamento denominada hipótese da "redundância de espécies", proposta pelo ecologista australiano Brian Walker , a maioria das espécies é vista como tendo pouca contribuição geral na estabilidade, comparável aos passageiros de um avião que desempenham pouco papel em seu voo bem-sucedido. A hipótese leva à conclusão de que apenas algumas espécies-chave são necessárias para um ecossistema saudável. A hipótese do "rebite-rebite" apresentada por Paul R. Ehrlich e sua esposa Anne H. Ehrlich compara cada espécie que faz parte de um ecossistema com um rebite no avião (representado pelo ecossistema). A perda progressiva de espécies reflete a perda progressiva de rebites do avião, enfraquecendo-o até que não seja mais sustentável e caia.

Extensões posteriores da simulação do mundo das margaridas, que incluíram coelhos , raposas e outras espécies, levaram a uma descoberta surpreendente de que quanto maior o número de espécies, maiores os efeitos de melhoria em todo o planeta (ou seja, a regulação da temperatura foi melhorada). Também mostrou que o sistema era robusto e estável mesmo quando perturbado. As simulações do Daisyworld em que as mudanças ambientais eram estáveis ​​gradualmente se tornaram menos diversificadas com o tempo; em contraste, perturbações suaves levaram a explosões de riqueza de espécies. Essas descobertas deram suporte à ideia de que a biodiversidade é valiosa.

Esta descoberta foi apoiada por um estudo de 1994 dos fatores de composição, dinâmica e diversidade de espécies em pastagens sucessionais e nativas em Minnesota por David Tilman e John A. Downing, que concluiu que "a produtividade primária em comunidades de plantas mais diversas é mais resistente e se recupera mais plenamente de uma grande seca ". Eles continuam acrescentando "Nossos resultados apóiam a hipótese de estabilidade da diversidade, mas não a hipótese alternativa de que a maioria das espécies são funcionalmente redundantes".

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos