デイジーワールド
1983 simulation of a simple planetary ecosystem

標準的なDaisyWorldシミュレーションからのグラフ。[要説明] [要引用]これらのグラフは、ここで引用した研究で提示されたデータ図からのものではなく、また直接対応するものでもないことに留意してください。[要検証]

デイジーワールドは、アンドリュー・ワトソンとジェームズ・ラブロックによって開発された（1983年発表）モデルの名前であり、生物が意図せず環境を制御する可能性があることを実証するものである。 [1]このモデルは、恒星の明るさの増加によりゆっくりとした地球温暖化が起こっている 架空の惑星（デイジーワールド）をシミュレートする。この惑星には、黒いデイジーと白いデイジーの2種類のデイジーが生息している。白いデイジーはアルベド（反射率）が高いため、惑星を冷却する効果を持つ。一方、黒いデイジーはアルベドが低い（そのため太陽放射をより多く吸収する）ため、惑星を温暖化する効果を持つ。デイジーの成長率は気温に依存し、それぞれのデイジーは地球の気候に影響を与えるのと同じように、自身の微気候にも影響を与える。その結果、2種のヒナギクの個体群は自己組織化し、惑星は両種にとって最適な温度付近に保たれます（つまり、恒星が暗いときには黒いヒナギクが多く、恒星が明るいときには白いヒナギクが多くなります）。このモデルは、生物的プロセスが環境（この場合は気候）に影響を与えるだけでなく、関係する種による計画や意識なしに環境を安定化させる様子を示すため、「寓話」と呼ばれています。

デイジーワールド（「デイジーワールド」 [2] [3]とも呼ばれる）は、進化生態学および個体群生態学における用語となっている。これは、生態圏の生物相と惑星環境との「結合」に関する研究、特に数理モデリングとコンピュータシミュレーションに関する研究に由来しており、1982年から1983年にかけてジェームズ・E・ラブロックらがガイア仮説の妥当性を検討するために行った一連のシンポジウム発表や一次研究報告に遡る。[4]後に地球圏と生物圏の相互作用のモデル化とも呼ばれるようになった[5] [非一次資料が必要]ラブロックの 1983 年の報告書は、仮想の惑星の生物相（元の研究でヒナギク）に焦点を当てており、その成長は惑星の恒星からの光線への露出が変動するのに応じて変動する[4] [検証が必要]つまり、異なる色のヒナギクの品種のペアであり、それらの異なる色は、環境（特に恒星）との相互作用に違いをもたらします。[2] [3]デイジーワールドタイプの実験への言及は、より広く、初期の研究の拡張や、類似した種や無関係な種を含むさらなる仮説的なシステムを指すようになりました。[4] [検証が必要]

具体的には、地球上のあらゆる生物相とその環境からのあらゆる入力との相互作用を数学的にモデル化することが不可能なことから、[4]ラブロックは、はるかに単純な生態系（生物相の最低限界にある惑星が、放射エネルギーがゆっくりと変化している恒星を周回する）というアイデア（および数学モデルとシミュレーションによるアプローチ）を導入し、地球上のすべての生物相と太陽との相互作用の基本要素を模倣する手段とした。[要出典] 1983 年のオリジナルの著作では、デイジーワールドはさまざまな単純化の仮定を行い、光を反射または吸収する能力を持つ白いデイジーと黒いデイジーだけを生物として取り上げていた。[要出典]オリジナルのシミュレーションでは、2種類のデイジーの個体群（これらを組み合わせることで惑星全体の反射力（表面で反射される入射光の割合）が決定されます）と、仮想の恒星の光度の変化の関数としてデイジーワールドの表面温度がモデル化されました。その際に、ラブロックは、2種類の植物の個体群の変化の結果として、単純なデイジーワールドシステムの表面温度が広範囲の太陽変動に対してほぼ一定のままであることを実証しました。[要出典]

概要、1983年のシミュレーション

ウッドとその同僚は、1983年にラブロックが発表したデイジーワールド（当時はまだデイジーワールド、または小文字で表記されていた）に関する2つの主要な研究論文を引用した2008年のレビューの中で、[2] [3] [6]、この仮説はラブロックのガイア仮説に対する初期の批判に応えて考案されたものであり、具体的には「生命と環境の間の物理的に現実的なフィードバックから、生物側の先見や計画を必要とせずに、惑星の自己制御が自動的に発生することを示すために発明された」モデルであると述べている[4]。

地球上の生物群とその環境の「結合」を完全に表現することは不可能であるため、仮説モデルは

地球と同程度の距離を周回する、時間とともに明るくなる太陽のような恒星を周回する、架空の灰色の世界です。環境は温度という1つの変数に還元され、生物相は黒と白のヒナギクという2種類の生命体で構成され、生育に最適な温度と生育限界が同じです。デイジーワールドの土壌は水分と栄養が十分に豊富なので、温度だけでヒナギクの成長速度が決まります。この惑星の大気温室効果はごくわずかで、表面温度は単純に…（仮想の恒星の）明るさと、その（惑星の）全体的なアルベド（反射率、入射光が表面で反射される割合）によって決まり、アルベドは2種類のヒナギクの覆い具合の影響を受けます。[4]

この仮説的構成は、数学的モデリングにおいて、「興味深い自己制御特性を持つ」非線形システムを生み出す。[4]

目的と影響

DaisyWorld モデルとそれが現実世界の地球科学に与える影響についての短いビデオ。[引用が必要]

このモデルの目的は、フィードバック機構が、古典的な集団選択機構ではなく、利己的な[説明が必要]生物の行動や活動から進化する可能性があることを実証することです。 [引用が必要] Daisyworldは、黒いヒナギクと白いヒナギクという2種類の植物が生息する惑星のエネルギー収支を調べます。ヒナギクの色は惑星のアルベドに影響を与え、黒いヒナギクは光を吸収して惑星を温め、白いヒナギクは光を反射して惑星を冷やします。ヒナギク間の競争（成長率に対する温度の影響に基づく）は、惑星の温度がヒナギクの成長に最適な温度に近いように、個体群のバランスを保ちます。

ラブロックは、デイジーワールドの太陽を主系列に沿って進化させ、太陽定数を低いものから高いものへと変化させることで、デイジーワールドの安定性を実証しようとした。デイジーワールドの太陽放射の受け取り方が変動したため、ヒナギクのバランスは徐々に黒から白へと変化したが、惑星の温度は常にこの最適値に制御された（太陽進化の極端な端を除く）。この状況は、対応する非生物的世界とは大きく異なる。非生物的世界では温度は制御されておらず、太陽放射量に比例して上昇する。

批判

デイジーワールドは、地球の表面が生物と同様の恒常性と恒常性の特性を示すというガイア仮説には本質的に神秘的な何かがあるという考えを反駁するために設計された。 [引用が必要]具体的には、体温調節が取り上げられた。

ウッドとその同僚は2008年に、デイジーワールドの仮説的構成における重要な要素は、焦点となる種である

「ヒナギクは、局所レベルと地球レベルの両方で、同じ環境変数（気温）を同じ方向に変化させます。したがって、個体レベルで選択されたものが、その地球規模の影響に直接結びついています。このため、元のモデルは特殊なケースとなります（そして、現実世界では特に普及しているわけではありません）。進化生物学者は、この理由から元のモデルをしばしば批判します。」[4]

ガイア仮説は、リチャード・ドーキンスをはじめとする科学者から多くの批判を受けてきた。ドーキンスは、惑星レベルの温度調節は惑星の自然淘汰なしには不可能であり、温度調節を行わない死んだ惑星の存在を示す証拠も含まれると主張した。[7] [要ページ] W・フォード・ドゥーリトルは、惑星レベルの温度調節という概念を否定した。それは生物間の「秘密の合意」、つまり惑星規模で説明のつかない何らかの目的を必要とするように思われるからだ。[8] [9]他の人々は、惑星レベルの温度調節には何らかの「秘密の合意」が必要であるという批判に反論し、2つの種にとって有益な惑星の温度調節は自然に生じると主張した。[10] [要一次資料以外] [要検証]

デイジーワールドに対するその後の批判は、地球のアナロジーとしてよく使われるものの、元のシミュレーションでは実際の地球システムの重要な詳細が数多く抜け落ちている点に集中している。[要出典]たとえば、この仮想システムでは恒常性を維持するためにアドホックな死亡率 (γ) が必要であり、種レベルの現象と個体レベルの現象の違いが考慮されていない。[要出典]シミュレーションを批判する人たちは、これらの詳細を含めるとシステムが不安定になり、誤ったアナロジーになると信じていた。[要出典]これらの批判に対して、ティモシー・レントンとジェームズ・ラブロックは 2001 年に反論し、さらなる要因を含めることで、以降のデイジーワールドのバージョンで気候調節を改善できると主張した。[11] [非一次資料が必要]

その後の研究

デイジーワールドの後のバージョンでは、研究分野を「地圏と生物圏の相互作用のチュートリアルモデル」と定義し、灰色のヒナギクや草食動物、捕食動物の個体群を導入し、これらが恒常性の安定性をさらに高めることを発見しました。[11] [5] [一次資料以外が必要]

さらに最近では、地球の実際の生化学的循環をモデル化し、さまざまな種類の生物（光合成生物、分解生物、草食動物、一次および二次肉食動物など）を使用した他の研究でも、惑星の生物学的多様性に関連するアイデアをサポートして、デイジーワールドのような規制と安定性が生成されたと主張しています。[引用が必要]これにより、種の間での自然選択によって得られた規制の枠組み内で栄養素のリサイクルが可能になり、1つの生物の有害な廃棄物が別のギルドのメンバーの低エネルギー食品になります。[引用が必要]たとえば、窒素とリンのレッドフィールド比に関する研究は、局所的な生物的プロセスが地球システムを制御する可能性があることを示唆しています。[12] [非一次情報源が必要]

その後、ウサギやキツネなど他の種も含めたデイジーワールドシミュレーションの拡張により、種の数が多いほど[13]地球全体の体温調節機能が向上するという提案に至り、この仮説上のシステムは摂動を受けても堅牢かつ安定していることが示唆された。[14] [要ページ]環境が安定していたデイジーワールドシミュレーションでは、時間の経過とともに徐々に多様性が低下した。対照的に、穏やかな摂動は種の豊富さの爆発的な増加をもたらし、生物多様性が貴重であるという考えを裏付けている。[14] [要ページ]

この発見は、ミネソタ州の遷移草原と在来草原における種の構成、動態、多様性に関する1994年の一次研究報告書によって裏付けられており、同報告書は「より多様な植物群落における一次生産性は、大規模な干ばつに対してより耐性があり、より完全に回復する」と結論付けています。彼らはさらに、「この結果は多様性の安定性仮説を支持するが、ほとんどの種が機能的に冗長であるという対立仮説を支持するものではない」と付け加えています。[15] [一次情報源以外が必要] [16] [検証が必要]

地球との関連性

デイジーワールドは非常に単純化されており、例えば大気や動物は存在せず、植物は1種のみ、そして人口増加と死亡のモデルもごく基本的なものしか存在しないため、地球と直接比較することはできません。これは原著者らによって明確に述べられていました。それでもなお、デイジーワールドは、例えば人間の介入に対して地球の生物圏がどのように反応するかについて、多くの有用な予測を提供しました。後述のデイジーワールドの改良版では、より複雑なレイヤーが追加されましたが、それでも元のモデルと同じ基本的な傾向を示しました。

シミュレーションの予測の一つは、生物圏が気候を調節し、太陽光の広範囲にわたって居住可能な状態を保つというものである。こうした調節システムの例は地球上に数多く見つかっている。 [要出典]

参照

さらに読む

  • Andrew J. Wood、GJ Ackland、JG Dyke、HTP Williams、TM Lenton (2008年1月5日). 「Daisyworld：レビュー」. Reviews of Geophysics . 48 (RG1001): RG1001. Bibcode :2008RvGeo..46.1001W. doi : 10.1029/2006RG000217 .オリジナル研究とその後の関連研究の 25 年間を振り返る 1 件のレビュー。
  • ラブロック, JE (1983a). 「大気を通して見たガイア」. ウェストブローク, P. & ジョン, EW d. (編). バイオミネラリゼーションと生物学的金属蓄積. ドルドレヒト, オランダ: D. ライデル. pp.  15– 25. ISBN 9789400979468. 2024年7月24日閲覧。1982年6月2日～5日、オランダ、レネッセで開催された第4回バイオミネラリゼーション国際シンポジウムで発表された論文{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: editors list (link)この研究は、ラブロックによるデイジーワールド概念の1983年の2つの最初の出版物のうちの1つとして、Wood et al. (2008) 前掲書に引用されています。
  • ラブロック、JE (1983b). 「デイジーワールド ― ガイア仮説のサイバネティック証明」CoEvolution Quarterly (Summer): 66– 72 . 2024年7月24日閲覧。この研究は、デイジーワールド構成に関するラブロックの 1983 年の 2 つのオリジナル出版物のうちの 1 つとして、Wood ら (2008) 前掲書に引用されています。
  • Watson, AJ ; JE Lovelock (1983). 「地球環境の生物学的恒常性：デイジーワールドの寓話」Tellus B . 35 (4): 286–9 . Bibcode :1983TellB..35..284W. doi :10.3402/tellusb.v35i4.14616 . 2024年7月24日閲覧。これはデイジーワールドに関する最初の報告ではなく、むしろ特定の追加的な疑問を検証するために設計された追跡研究です。ウッドら（前掲）が詳細に述べているように、「ワトソンとラブロック[1983]は、黒いデイジー群落の暖かい部分の上に発生する対流が、その上に白い雲を生成するという仮定のもと、デイジーの色と惑星温度の相互作用の符号を逆転させました。この場合、黒いデイジーは局所的には白いデイジーよりも暖かいままですが、両方のデイジーが惑星の温度を下げます。したがって、黒いデイジーは常に白いデイジーに対して選択的優位性を持ち、白いデイジーを絶滅に追いやります。しかし、惑星温度は、成長に最適な温度よりも低い側ではあるものの、依然として制御されています。」
  • Lovelock, JE & Watson, AJ (1982). 「二酸化炭素と気候の調節：ガイアか地球化学か？」. Planet. Space Sci. 30 (8): 193– 202. Bibcode :1982P&SS...30..795L. doi :10.1016/0032-0633(82)90112-X. 1981年8月17～18日、西ドイツ・ハンブルクで開催されたIAMAP/ICPAEシンポジウム「惑星大気の起源と進化」で発表された論文。本稿は、惑星の恒常性が化学組成と気候に影響を与えるというガイア仮説のレビューである。いくつかの批判に答え、二酸化炭素分圧の生物学的制御による平均地表温度の長期的調節に関する新たなモデルを提示する。{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)記事全文については、著者が提供したこの Web ソースも参照してください。
  • モスマン、ケイト＆ラブロック、ジェームズ（2019年7月31日）。「ジェームズ・ラブロック100歳：私の人生はビジョンの塊でした」（インタビュー）。NewStatesman.com 。ロンドン、イギリス：ニュー・ステイツマン・リミテッド。2024年7月24日閲覧。{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)この記事に関連するいくつかのトピックの歴史を、ラブロックの観点から紹介するインタビューです (WF ドゥーリトルの反論に敬意を表して言及)。
  • Doolittle, WF (2019年10月). 「オピニオン：ガイアの進化論的解釈」 . Trends in Ecology & Evolution . 34 (10): 889– 894. doi :10.1016/j.tree.2019.05.001. PMID  31155421. 2024年7月24日閲覧.ドゥーリトルによる、ガイアと関連研究についての最近の簡潔な回顧録。

参考文献

  1. ^ ワトソン, アンドリュー; ラブロック, ジェームズ (1983). 「地球環境の生物学的恒常性：デイジーワールドの寓話」.テラスB: 化学物理気象学. 35 (4): 284.書誌コード:1983TellB..35..284W. doi :10.3402/tellusb.v35i4.14616.
  2. ^ abc ラブロック, JE (1983a). 「大気を通して見るガイア」. ウェストブローク, P. & ジョン, EW d. (編). バイオミネラリゼーションと生物学的金属蓄積. ドルドレヒト, オランダ: D. ライデル. pp.  15– 25. ISBN 9789400979468. 2024年7月24日閲覧。1982年6月2日～5日、オランダ、レネッセで開催された第4回バイオミネラリゼーション国際シンポジウムで発表された論文{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: editors list (link)この研究は、ラブロックによるデイジーワールド概念の1983年の2つの最初の出版物のうちの1つとして、Wood et al (2008) 前掲書に引用されています。
  3. ^ abc Lovelock, JE (1983b). 「デイジーワールド ― ガイア仮説のサイバネティック証明」CoEvolution Quarterly (Summer): 66– 72 . 2024年7月24日閲覧。この研究は、デイジーワールド構成に関するラブロックの 1983 年の 2 つのオリジナル出版物のうちの 1 つとして、Wood ら (2008) 前掲書に引用されています。
  4. ^ abcdefgh Andrew J. Wood; GJ Ackland; JG Dyke; HTP Williams; TM Lenton (2008年1月5日). 「Daisyworld: A Review」. Reviews of Geophysics . 48 (RG1001): RG1001. Bibcode :2008RvGeo..46.1001W. doi : 10.1029/2006RG000217 .
  5. ^ ab von Bloh, W.; Block, A.; Parade, M.; Schellnhuber, HJ (1999年4月15日). 「地圏と生物圏の相互作用に関するチュートリアルモデル：浸透型生息地の断片化の影響」(PDF) . Physica A: 統計力学とその応用. 266 (1): 186– 196. Bibcode :1999PhyA..266..186V. doi :10.1016/S0378-4371(98)00590-1. ISSN  0378-4371.[一次資料以外の情報源が必要]
  6. ^ 文法に関する注記：1983年のラブロックの原著論文では、仮説体系の名称を「デイジーワールド」と表記し、それが連結して現れる場合は「デイジーワールド」（文頭以外はすべて小文字）と表記している。2008年にウッドらが発表したレビューの時点では、体系名を連結してタイトルケースで表記するスタイルが一貫していたようだ。本稿では、冒頭の引用を除き、すべての記述はより最近のウッドの慣例に従っている。ラブロック（1983a）と（1983b）、およびウッド他（2008）前掲書を参照。
  7. ^ ドーキンス、R. (1982). 『拡張された表現型：遺伝子の長い到達範囲』オックスフォード大学出版局. ISBN 0-19-286088-7。[全文引用が必要]
  8. ^ ドゥーリトル, WF (1981年春). 「自然は本当に母性的なものか？」CoEvolution Quarterly : 58–63 .
  9. ^ ちなみに、これらの新ダーウィン主義者のどちらも、ラブロックの著書に示された惑星の調節を示唆する広範な証拠を詳細に検討せず、進化の過程に関する最新の見解と矛盾するとしてその理論を却下した。[誰によると？ ] [要出典]
  10. ^ Sagan, D. & Whiteside, JH (2004). 「勾配縮小理論：熱力学と生命の目的」Stephen H. Schneider、James R. Miller、Eileen Crist、Penelope J. Boston (編) 『科学者によるガイア論争：次の世紀』MIT Press. pp.  173– 186. doi :10.7551/mitpress/9780262194983.003.0017. ISBN 978-0-262-19498-3。{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)[一次資料以外の情報源が必要]
  11. ^ ab Lenton, TM& Lovelock, JE (2001). 「デイジーワールド再考：惑星の自己調節に対する生物学的影響の定量化」TellusシリーズB 53 ( 3): 288– 305. Bibcode :2001TellB..53..288L. doi :10.1034/j.1600-0889.2001.01191.x.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)[一次資料以外の情報源が必要]
  12. ^ ダウニング、キース＆ズヴィリンスキー、ピーター（1999年10月1日）「生化学ギルドのシミュレーションによる進化：ガイア理論と自然選択の調和」人工生命誌5 (4): 291– 318. doi :10.1162/106454699568791. PMID  10829084. 2024年7月24日閲覧。{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)[一次資料以外の情報源が必要]
  13. ^ ガイア理論において、生態系の安定性における生物多様性の役割については、2つの見解がある。オーストラリアの生態学者ブライアン・ウォーカーが提唱した「種の冗長性」仮説と呼ばれる学派では、ほとんどの種は全体としての安定性にほとんど貢献していないと考えられており、これは飛行機の乗客が飛行の成功にほとんど貢献していないことに似ている。この仮説は、健全な生態系には少数の重要な種しか必要ではないと示唆している。ポール・R・エーリッヒと妻のアン・H・エーリッヒが提唱した「リベットポッパー」仮説は、生態系を構成するそれぞれの種を、（生態系によって表される）飛行機のリベットに例えている。種の漸進的な喪失は、飛行機からのリベットの漸進的な喪失を反映しており、飛行機はもはや持続不可能となり墜落するまで弱体化する。Leakey & Lewin (1996)、前掲書を参照。
  14. ^ ab ジェームズ・ラブロック (2000) [1988]. 『ガイアの時代：生きている地球の伝記』（第2版、改訂版）. オックスフォード大学出版局. pp.  213– 216. ISBN 978-0-19-286217-4。
  15. ^ Tilman, David & Downing, John A. (1994). 「草原における生物多様性と安定性」(PDF) . Nature . 367 (6461): 363– 365. Bibcode :1994Natur.367..363T. doi :10.1038/367363a0. S2CID  4324145. 2011年9月27日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)[一次資料以外の情報源が必要]
  16. ^ リーキー、リチャード・E. & ルーウィン、ロジャー (1996). 『第六の絶滅：生命のパターンと人類の未来』 ニューヨーク、NT: ペンギン・ランダム・ハウス-クノップ・ダブルデイ. pp.  137– 142. ISBN 9780385468091. 2024年7月24日閲覧。{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)引用されたページはこのリンクからはアクセスできないことに注意してください。
  • 多くのオプションを備えたオンライン DaisyWorld シミュレーター (HTML5/Javascript)
  • 2D空間上のDaisyworld用Javaアプレット
  • 空間デイジーワールドモデルJavaアプレットと進化を伴うデイジーワールドの説明
  • Daisyworld の Unix/X11 シミュレーション。
  • ガイア仮説のモデリング: DaisyWorld 2D セルラーオートマトンを使用した基本的な Daisyworld モデルのテスト アプレット。
  • Daisyworld モデルの NetLogo バージョン。
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