Mundo de las margaritas

Parcelas de una simulación estándar de DaisyWorld blanco y negro.

Daisyworld, una simulación por computadora, es un mundo hipotético que orbita alrededor de una estrella cuya energía radiante aumenta o disminuye lentamente. Está destinado a imitar elementos importantes del sistema Tierra-Sol, y fue presentado por James Lovelock y Andrew Watson en un artículo publicado en 1983 para ilustrar la plausibilidad de la hipótesis de Gaia. En la versión original de 1983, Daisyworld tiene dos variedades de margaritas como únicas formas de vida: margaritas negras y margaritas blancas. Las margaritas de pétalos blancos reflejan la luz, mientras que las margaritas de pétalos negros la absorben. La simulación rastrea las dos poblaciones de margaritas y la temperatura de la superficie de Daisyworld a medida que los rayos del sol se vuelven más poderosos. La temperatura de la superficie de Daisyworld permanece casi constante en un amplio rango de producción solar.

Modelo matemático para sustentar la hipótesis de Gaia

El propósito del modelo es demostrar que los mecanismos de retroalimentación pueden evolucionar a partir de las acciones o actividades de organismos egoístas, en lugar de a través de mecanismos clásicos de selección de grupos. Daisyworld examina el presupuesto energético de un planeta poblado por dos tipos diferentes de plantas, margaritas negras y margaritas blancas. El color de las margaritas influye en el albedo del planeta, de modo que las margaritas negras absorben la luz y calientan el planeta, mientras que las margaritas blancas reflejan la luz y enfrían el planeta. La competencia entre las margaritas (basada en los efectos de la temperatura sobre las tasas de crecimiento) conduce a un equilibrio de poblaciones que tiende a favorecer una temperatura planetaria cercana a la óptima para el crecimiento de las margaritas.

Lovelock y Watson demostraron la estabilidad de Daisyworld al hacer que su sol evolucionara a lo largo de la secuencia principal, llevándolo de una constante solar baja a una alta. Esta perturbación de la recepción de radiación solar de Daisyworld hizo que el equilibrio de las margaritas cambiara gradualmente de negro a blanco, pero la temperatura planetaria siempre se reguló de nuevo a este óptimo (excepto en los extremos de la evolución solar). Esta situación es muy diferente del mundo abiótico correspondiente, donde la temperatura no está regulada y aumenta linealmente con la producción solar.

Las versiones posteriores de Daisyworld introdujeron una gama de margaritas grises, así como poblaciones de herbívoros y depredadores, y descubrieron que aumentaban aún más la estabilidad de la homeostasis. Más recientemente, otra investigación, que modela los ciclos bioquímicos reales de la Tierra y utiliza varios tipos de organismos (por ejemplo, fotosíntesis, descomponedores, herbívoros y carnívoros primarios y secundarios) también ha demostrado producir una regulación y estabilidad similares a las de Daisyworld, lo que ayuda a explicar diversidad biológica planetaria.

Esto permite el reciclaje de nutrientes dentro de un marco regulatorio derivado de la selección natural entre especies, donde los desechos dañinos de un ser se convierten en alimentos de baja energía para los miembros de otro gremio. Esta investigación sobre la proporción de nitrógeno a fósforo de Redfield muestra que los procesos bióticos locales pueden regular los sistemas globales (ver Keith Downing & Peter Zvirinsky, The Simulated Evolution of Biochemical Guilds: Reconciling Gaia Theory with Natural Selection).

Sinopsis de la simulación original de 1983

Al comienzo de la simulación, los rayos del sol son débiles y Daisyworld es demasiado frío para albergar vida. Su superficie es estéril y gris. A medida que aumenta la luminosidad de los rayos del sol, se hace posible la germinación de margaritas negras. Debido a que las margaritas negras absorben más energía radiante del sol, pueden aumentar sus temperaturas individuales a niveles saludables en la superficie aún fría de Daisyworld. Como resultado, prosperan y la población pronto crece lo suficiente como para aumentar la temperatura promedio de la superficie de Daisyworld.

A medida que la superficie se calienta, se vuelve más habitable para las margaritas blancas, cuya población competidora crece hasta rivalizar con la población de margaritas negras. A medida que las dos poblaciones alcanzan el equilibrio, también lo hace la temperatura de la superficie de Daisyworld, que se establece en un valor más cómodo para ambas poblaciones.

En esta primera fase de la simulación, vemos que las margaritas negras han calentado a Daisyworld para que sea habitable en un rango más amplio de luminosidad solar de lo que hubiera sido posible en un planeta gris y estéril. Esto permitió el crecimiento de la población de margaritas blancas, y las dos poblaciones de margaritas ahora trabajan juntas para regular la temperatura de la superficie.

La segunda fase de la simulación documenta lo que sucede a medida que la luminosidad del sol continúa aumentando, calentando la superficie de Daisyworld más allá de un rango cómodo para las margaritas. Este aumento de temperatura hace que las margaritas blancas, que son más capaces de mantenerse frescas debido a su alto albedo o capacidad de reflejar la luz solar, obtengan una ventaja selectiva sobre las margaritas negras. Las margaritas blancas comienzan a reemplazar a las margaritas negras, lo que tiene un efecto refrescante en Daisyworld. El resultado es que la temperatura de la superficie de Daisyworld permanece habitable, de hecho, casi constante, incluso cuando la luminosidad del sol continúa aumentando.

En la tercera fase de la simulación, los rayos del sol se han vuelto tan poderosos que pronto incluso las margaritas blancas ya no pueden sobrevivir. Con cierta luminosidad, su población colapsa, y la superficie gris y estéril de Daisyworld, que ya no puede reflejar los rayos del sol, se calienta rápidamente.

En este punto de la simulación, la luminosidad solar está programada para disminuir, volviendo sobre su camino original a su valor inicial. A pesar de que desciende a niveles que anteriormente soportaban grandes poblaciones de margaritas en la tercera fase, ninguna margarita puede crecer porque la superficie estéril y gris de Daisyworld todavía está demasiado caliente. Eventualmente, los rayos del sol disminuyen su poder a un nivel más cómodo que permite que crezcan las margaritas blancas, que comienzan a enfriar el planeta.

Relevancia para la Tierra

Dado que Daisyworld es tan simple, sin atmósfera, sin animales, solo una especie de vida vegetal y solo los modelos más básicos de crecimiento y muerte de la población, no debe compararse directamente con la Tierra. Esto fue declarado muy claramente por los autores originales. Aun así, proporcionó una serie de predicciones útiles sobre cómo la biosfera de la Tierra puede responder, por ejemplo, a la interferencia humana. Las adaptaciones posteriores de Daisyworld (discutidas a continuación), que agregaron muchas capas de complejidad, aún mostraban las mismas tendencias básicas del modelo original.

Una predicción de la simulación es que la biosfera trabaja para regular el clima, haciéndolo habitable en un amplio rango de luminosidad solar. Muchos ejemplos de estos sistemas reguladores se han encontrado en la Tierra.

Modificaciones a la simulación original

Daisyworld fue diseñado para refutar la idea de que había algo intrínsecamente místico en la hipótesis de Gaia de que la superficie de la Tierra muestra propiedades homeostáticas y homeoréticas similares a las de un organismo vivo. Específicamente, se abordó la termorregulación. La hipótesis de Gaia había atraído una gran cantidad de críticas de científicos como Richard Dawkins, quien argumentó que la termorregulación a nivel planetario era imposible sin la selección natural planetaria, lo que podría implicar evidencia de planetas muertos que no termorregularan. El Dr. W. Ford Doolittle rechazó la noción de regulación planetaria porque parecía requerir un "consenso secreto" entre los organismos, por lo tanto, algún tipo de propósito inexplicable a escala planetaria. Por cierto, ninguno de estos neodarwinianos hizo un examen detallado de la amplia evidencia presentada en los libros de Lovelock que sugería una regulación planetaria, descartando la teoría basándose en lo que vieron como su incompatibilidad con las últimas opiniones sobre los procesos por que funciona la evolución. El modelo de Lovelock contrarrestó las críticas de que algún "consenso secreto" sería necesario para la regulación planetaria mostrando cómo en este modelo la termorregulación del planeta, beneficiosa para las dos especies, surge de forma natural.

Las críticas posteriores al mismo Daisyworld se centran en el hecho de que, aunque a menudo se usa como una analogía de la Tierra, la simulación original omite muchos detalles importantes del verdadero sistema de la Tierra. Por ejemplo, el sistema requiere una tasa de mortalidad ad-hoc (γ) para mantener la homeostasis, y no tiene en cuenta la diferencia entre los fenómenos a nivel de especie y los fenómenos a nivel individual. Los detractores de la simulación creían que la inclusión de estos detalles haría que se volviera inestable y, por lo tanto, falsa. Muchos de estos problemas se abordan en un artículo de 2001 de Timothy Lenton y James Lovelock, que muestra que la inclusión de estos factores en realidad mejora la capacidad de Daisyworld para regular su clima.

Biodiversidad y estabilidad de los ecosistemas

La importancia del gran número de especies en un ecosistema dio lugar a dos conjuntos de puntos de vista sobre el papel que desempeña la biodiversidad en la estabilidad de los ecosistemas en la teoría de Gaia. En una escuela de pensamiento denominada "redundancia de especies" Según la hipótesis, propuesta por el ecologista australiano Brian Walker, se considera que la mayoría de las especies tienen poca contribución general a la estabilidad, comparable a los pasajeros de un avión que juegan un papel pequeño en su vuelo exitoso. La hipótesis lleva a la conclusión de que solo unas pocas especies clave son necesarias para un ecosistema saludable. El "remachador de remaches" La hipótesis propuesta por Paul R. Ehrlich y su esposa Anne H. Ehrlich compara cada especie que forma parte de un ecosistema con un remache en el avión (representado por el ecosistema). La pérdida progresiva de especies refleja la pérdida progresiva de remaches del avión, debilitándolo hasta que ya no es sostenible y se estrella.

Extensiones posteriores de la simulación Daisyworld, que incluían conejos, zorros y otras especies, llevaron a un descubrimiento sorprendente de que cuanto mayor era el número de especies, mayores eran los efectos de mejora en todo el planeta (es decir, se mejoraba la regulación de la temperatura). También mostró que el sistema era robusto y estable incluso cuando estaba perturbado. Las simulaciones de Daisyworld donde los cambios ambientales eran estables se volvieron gradualmente menos diversas con el tiempo; en contraste, las perturbaciones suaves condujeron a estallidos de riqueza de especies. Estos hallazgos respaldaron la idea de que la biodiversidad es valiosa.

Este hallazgo fue respaldado por un estudio de 1994 sobre los factores de composición, dinámica y diversidad de especies en pastizales sucesionales y nativos en Minnesota realizado por David Tilman y John A. Downing, que concluyó que "la productividad primaria en comunidades de plantas más diversas es más resistente y se recupera más completamente de una gran sequía". Continúan agregando: "Nuestros resultados respaldan la hipótesis de la estabilidad de la diversidad, pero no la hipótesis alternativa de que la mayoría de las especies son funcionalmente redundantes".