U poseti Svetu krasuljaka

Milan M. Ćirković RSS / 19.01.2008. u 02:48

Putovati na druge planete, lepo se provesti i odatle doneti dragocene naučne podatke može se i bez napuštanja udobne i tople sobe. U savremenoj računarskoj eri to je moguće čak i nadmašujući metaforičko i oniričko tumačenje jednog de Mestra ili onog fascinantnog de Kirikovog Odiseja. Jedan od ključnih misaonih eksperimenata u savremenoj ekologiji, evolucionoj biologiji i astrobiologiji je tzv. Svet krasuljaka (engl. daisyworld). Ovu "parabolu" smislio je 1982. godine Džejms Lavlok, savremeni britanski biolog (rođen 1919) i autor kontroverzne "Gaja hipoteze". U najprihvaćenijoj savremenoj formi, Gaja hipoteza sugeriše da se Zemljina biosfera efektivno ponaša kao samo-organizujući sistem koji deluje tako da održava svoje podsisteme u nekoj vrsti ravnoteže pogodnoj za opstanak i evoluciju života. Ovo je tzv. "slaba verzija" Gaja hipoteze; postoje i jače, kontroverznije verzije koje su popularne u New Age krugovima, ali su generalno oštro kritikovane među biolozima i geo-naučnicima. Debata oko Gaja hipoteze se nastavlja nesmanjenom žestinom i danas, četrdesetak godina nakon što je Lavlok, inspirisan radom za Nasu o načinima potrage za životom na Marsu, postavio prve verzije ove ideje. Od sredine 1970-tih godina, Gaja hipoteza je dobila na značaju i polemika oko nje se razbuktala, a najsnažnija podrška Lavloku stigla je od poznatog mikrobiologa - i jedne od najznačajnijih naučnica XX veka - Lin Margulis.

Jedan od prvih problema sa kojima se Lavlok suočio bilo je kako da odbrani svoje ideje od optužbi za teleologiju. Gaja hipoteza pretpostavlja regulaciju fizičkih uslova na planeti od strane živih organizama; međutim, kako su biolozi bili žustri da istaknu, osobine živih bića od značaja za takvu regulaciju nisu mogle nastati prirodnom selekcijom. Stoga je, prema ovim kritičarima među koje spadaju Ričard Dokins i Ford Dulitl, jedino objašnjenje koje preostaje zagovornicima Gaja hipoteze teleološko: relevantne osobine organizama nastale su kao rezultat stremljenja ka "višoj svrhovitosti", odn. planetarnoj regulaciji. S obzirom da su teleološka objašnjenja u dvadesetovekovnoj biologiji postala ne samo naučno neprihvatljiva, već se i sama takva kvalifikacija doživljava kao izrazito pežorativna, Lavlok je pohitao da na optužbe odgovori domišljatim i matematički sofisticiranim misaonim eksperimentom ili Gedankenexperiment-om, kako bi to Albert Ajnštajn, koji je najviše voleo ovu vrstu ogleda, rekao. Sam Lavlok nazvao je svoj misaoni eksperiment sa Svetom krasuljaka "matematičkom parabolom" koja ilustruje "izranjajuće" (engl. emergent) osobine sistema u kome se živi svet dinamički spaja sa abiotičkim (neživim) okruženjem.

Pre nego što opišem Svet krasuljaka i skiciram neke od pravaca istraživanja vezanih za njega, valja pomenuti i interesantnu istoriju nastanka "zvanične", objavljene verzije ove ideje. Lavlok je prvi put predstavio Svet krasuljaka na konferenciji u Holandiji 1982. godine. Naravno, bilo mu je jasno da je za adekvatnu pažnju i diskusiju neophodno da model objavi u nekom od recenziranih istraživačkih glasila. Stoga je sa svojim mlađim saradnikom Endruom Votsonom napisao detaljniji prikaz i analizu modela i poslao je u poznati britanski naučni časopis Nature. Međutim, kako se to često kod slavnih - a donekle i izvikanih! - glasila dešava, urednici Nature-a nisu čak ni poslali članak na uobičajenu recenziju, već su ga odmah i bez obrazloženja odbili. Lavlok i Votson su, zatim, objavili taj rad u klimatološkom časopisu Tellus, 1983. godine. Zanimljivo je da je kasnije Lavlok, međutim, dobio veoma, veoma retku satisfakciju: Džon Medoks, dugogodišnji urednik Nature-a mu je poslao pismo u kome se izvinio zbog tretmana koji je rad Lavloka i Votsona doživeo u njegovom časopisu.

A sad pravac - Svet krasuljaka! Zamislimo planetu koja je u svemu nalik na Zemlju, koju, međutim, nastanjuju samo dve vrste krasuljaka (poznatih i kao tratinčica, bela rada, Bellis perennis), crni i beli. Pri tome su njihove prilagođenosti takve da crnim krasuljcima više odgovara hladnija, a belim toplija klima. Kako sunce Sveta krasuljaka postaje sve sjajnije tokom stotina miliona godina (kao i naše Sunce, uostalom, koje je danas za oko 30% sjajnije nego što je bilo kad je nastalo, kao prirodna posledica zvezdane evolucije na Glavnom nizu!), crni krasuljci se približavaju svojoj optimalnoj temperaturi, postaju sve bolje prilagođeni, te se njihov broj uvećava (u skladu sa "mejnstrim" biološkom doktrinom adaptacionizma). Ovo kreira pozitivnu povratnu spregu, zato što sa povećanjem broja crnih krasuljaka planetarna površina postaje tamnija; kako astronomi kažu, planetarni albedo (deo svetlosti koji planeta odbija) počinje da opada. Kad albedo opada, temperatura raste. Kako crnih krasuljaka ima sve više, temperatura sve više - i sve brže! - raste, tako da u jednom trenutku ona nadmašuje opseg optimalnosti za crne krasuljke, a ulazi u opseg optimalnosti za njihove bele srodnike. Tada beli krasuljci počinju da se šire, a crni da opadaju, u skladu sa jednostavnim principima populacione genetike. Ovaj pomak ponovo menja planetarni albedo, ovaj put povećavajući ga (površina prekrivena belim krasuljcima odbija daleko više sunčeve svetlosti). Tada nastaje negativna povratna sprega, koja teži da spusti temperaturu na Svetu krasuljaka. Kao posledica, srednja planetarna temperatura se stabilizuje i kroz veoma dugački period - čak i milijardama godina! - ostaje konstantna, bez obzira na povećanja sjaja matične zvezde. Ali konačno, čak i beli krasuljci se zagreju izvan svog opsega prilagođenosti i ne mogu da zadrže dalje zagrevanje. Biosfera tada doživljava kolaps, pustinja se naglo širi i temperatura se brzo podigne do one koju bi iskusio potpuno mrtav svet. Osnovna poenta? Biosfera je (i bez postuliranja ikakve teleologije) u stanju da menja svoju planetarnu okolinu u cilju produžavanja sopstvenog opstanka! U astrobiološkom smislu, doista, život je zakon.

Shematska evolucija Daisyworld-a
Shematska evolucija Daisyworld-a
Svet krasuljaka prelepo odslikava dvojni karakter misaonog eksperimenta: on je i intuitivno razumljiva situacija i matematički model, koji uprkos prividnoj jednostavnosti može proizvesti neočekivano kompleksne rezultate. Osnovne jednačine Sveta krasuljaka su varljivo jednostavne - one uključuju samo delove površine kopna prekrivene jednom i drugom vrstom, stopu rasta cvetova za koju se uzima da je jednostavna funkcija lokalne temperature, te poznati Štefan-Bolcmanov zakon koji igra ulogu u određivanju temperature na planeti u zavisnosti od osunčanosti. Naravno, veoma je značajno i naše astrofizičko znanje o tempu povećanja sjaja zvezda na Glavnom nizu. Kako Sunce postaje sve toplije, danas nam je jasno da će - ukoliko bismo zanemarili ljudski ili bilo kakav drugi intencionalni uticaj na klimu naše planeti - Zemlja postati nenastanjiva ne tek kroz 6 milijardi godina kada Sunce postane crveni džin, već znatno ranije, za oko 1,1 milijardu godina, zbog isparavanja okeana i lavinskog efekta staklene bašte koje će povećanje Sunčevog sjaja izazvati.

Naravno, osnovni model Sveta krasuljaka se može dalje širiti tako što će se razmatrati varijacije na temu, poput povećanja broja vrsta flore, uvođenje faune (poput, recimo, krava koje jedu i jednu i drugu vrstu cveća!), razmatranje atmosferskih parametara (poput količine vlage i oblačnosti), uzimanje u obzir mutacija boje krasuljaka, itd. isl. Veliki broj istraživačkih publikacija na temu Sveta krasuljaka i veliko interesovanje, kako biologa, tako i geo-naučnika, atmosferskih naučnika i astrobiologa, pokazuje saznajno bogatstvo ovog protivčinjeničnog sveta. U Svetu krasuljaka su tokom njegove istorije duge četvrt veka razmatrane su tako raznolike teme kao što su haos, evolucioni efekti, katastrofički "fazni prelazi" ili mutacije; sve to korišćenjem najraznovrsnijih metoda, od egzaktnih rešenja, preko klasičnih numeričkih metoda integracije diferencijalnih jednačina do složenih i donekle još uvek egzotičnih metoda, poput stohastičkih celularnih automata. Kao primer novijih rezultata, pomenuću studiju Eklanda sa saradnicima iz 2003. koja ukazuje da se kod dostizanja kritične vrednosti sunčevog sjaja, ogroman pojas oko ekvatora Sveta krasuljaka naglo pretvara u pustinju, po analogiji sa iznenadnim faznim prelazima u fizici. Ovo potvrđuje jednu od osnovnih istina čitave nelinearne dinamike, naime da i vrlo male promene, ako nastupe u kritičnom trenutku, mogu imati globalne efekte, podjednako dramatične kao i velike perturbacije sredine (recimo nastale sudarom planete sa kometom ili asteroidom). Kako stoje stvari, uprkos ekstremnoj prividnoj jednostavnosti Svet krasuljaka je još daleko od odavanja svih svojih tajni. (Za detaljnije informacije i spisak primarnih referenci, te linkove na različite aplete i kodove koji simuliraju Svet krasuljaka, mogu se pogledati, recimo, sajtovi Vernera fon Bloha, Džejmija Vuda i ovaj na Karlton univerzitetu, i još mnogo, mnogo drugih.)

Konačno, u epistemološkom kontekstu, Gedankenexperiment sa Svetom krasuljaka fino ilustruje nekoliko bitnih poenti. Najpre, misaoni eksperiment ne mora - nasuprot onome na šta nas je Ajnštajn navikao! - biti delo pojedinca, makar i genijalnog, dakle bez obzira što je misao uvek svojstvo individue, misaoni eksperiment mogu graditi mnogi ljudi kroz duži vremenski period, dajući mu bogatstvo različitih perspektiva! Dalje, Svet krasuljaka odslikava plodotvornu interakciju misaonog eksperimenta i različitih numeričkih metoda savremene nauke. Za razliku od klasičnih misaonih eksperimenata poput Meksvelovog demona ili Njutnovog vedra sa vodom, efekti koji se demonstriraju u Svetu krasuljaka nisu očigledni na taj način da bi ljudski uvid - bez odgovarajuće računske procedure - pružao osnove za jasan zaključak. Međutim, uz podršku računara i savremene computational science, zaključci od dalekosežne relevantnosti su nadohvat ruke. Konačno, Svet krasuljaka plastično pokazuje kako misaoni eksperiment može poslužiti kao sjajan interdisciplinarni most, koji ukazuje na bliskost naizgled sasvim raznorodnih disciplina, od fiziologije cveća do teorije zvezdane evolucije...

Atačmenti



Komentari (103)

Komentare je moguće postavljati samo u prvih 7 dana, nakon čega se blog automatski zaključava

d j o l e d j o l e 09:22 21.01.2008

Planetarna automatika

Ovo kreira pozitivnu povratnu spregu, zato što sa povećanjem broja crnih krasuljaka planetarna površina postaje tamnija; kako astronomi kažu, planetarni albedo (deo svetlosti koji planeta odbija) počinje da opada. Kad albedo opada, temperatura raste. Kako crnih krasuljaka ima sve više, temperatura sve više - i sve brže! - raste, tako da u jednom trenutku ona nadmašuje opseg optimalnosti za crne krasuljke, a ulazi u opseg optimalnosti za njihove bele srodnike.

Tada beli krasuljci počinju da se šire, a crni da opadaju, u skladu sa jednostavnim principima populacione genetike. Ovaj pomak ponovo menja planetarni albedo, ovaj put povećavajući ga (površina prekrivena belim krasuljcima odbija daleko više sunčeve svetlosti). Tada nastaje negativna povratna sprega, koja teži da spusti temperaturu na Svetu krasuljaka. Kao posledica, srednja planetarna temperatura se stabilizuje i kroz veoma dugački period - čak i milijardama godina! - ostaje konstantna, bez obzira na povećanja sjaja matične zvezde
Sistemi automatskog upravljanja su cudo :)

U tekstu ste pomenuli da se u prelaznom procesu koji ste opisali (uticaju populacija crnih i belih cvetova na srednju temperaturu planete) smenjuju pozitivna i negativna povratna sprega. Mada, najverovatnije, sve vreme postoji samo negativna povratna sprega zajedno sa regulatorom, koji pokusava da razlicitim brojem crnih i belih cvetova (sto se u teoriji automatskog upravljanja naziva izvrsnim organom ... naprimer, motor je izvrsni organ u regulaciji brzine tocka ili dc pretvarac u regulaciji izlaznog napona generatora) da regulise srednju temperaturu planete (sto je izlazna velicina upravljanog sistema) za raslicite vrednosti sjaja maticne zvezde (ulaz upravljackog sistema). To sto dolazi do oscilacija u brojevima crnih i belih cvetova (prvi broj veci od drugog i obratno), ne mora da znaci (odnosno gotovo sigurno ne znaci) da je negativna povratna sprega postala pozitivna ... prosto, takva je dinamika prelaznog rezima planetarnog regulatora, koji uvek radi u negativnoj povratnoj sprezi ... odnosno uvek pokusava da stabilise sistem.

Negativna povratna sprega stabilise sistem ... dok pozitivna povratna sprega priblizava sistem nestabilnosti ... to je jedno od prvih nacela automatike. Naravno, nisu svi sistemi sa negativnom povratnom spregom isti (neki stabilisu sistem brze neki sporije, neki sa vise oscilacija neki sa manje), ali to je vec neka druga prica ... Sa druge stratne, nalaze se sistemi sa pozitivnom spregom ... koji su, manje vise, svi isti medju sobom ... radi se o sistemima koji operisu sa ekstremima, i kakav god ekstremizam bio u pitanju posledica je ista ... takva vrsta regulacije cini sistem nestabilnijim.

Ima jos jedna stvar koju bi mozda trebalo napomenuti. Kao sto ste sami rekli, pitanje je na kojoj vrednosti osvetljenosti planete, ovakav sistem regulacije sa cvetovima uopste moze da dodje do izrazaja. To je jedan vrlo uzak opseg temperatura, sravicno fin i osetljiv balans koji dolazi do izrazaja tek na odredjenom stepenu osvetljaja planete.

Za manje osvetljaje uslovi su isuvise surovi, te u njima ni promene broja belih ni broja crnih cvetova ne mogu puno da ucine glede temperature planete. Takodje, kada se uslovi osvetljaja promene i na drugu stranu, iz istih razloga uticaj regualcije koju ste opisali na srednju temperaturu planete postace izlisan (sto ne znaci da se nece pojaviti neki drugi sistem upravljanja koji ce funkcionisati u tim novim uslovima).

Mozda je to jedna od poenti vase price ... da zivimo u svetu u kome su savrseno uskladjeni mnogi mnogi uslovi potrebni da bi zivot uopste postojao. I da bi sve ostalo sto gradimo takodje moglo da bude bar u pokusaju izbalansirano i izregulisano ... u pokusaju da se ocuva zivot
d j o l e d j o l e 10:04 21.01.2008

Re: Planetarna automatika

Pitanje u vezi sa Milutinom Milankovicem ... i njegovim modelom (ne samo njegovim ... ustvari jednim od najstarijih modela nastanka zivota na zemlji) koji je opisao u knjizi "Kroz vasionu i vekove".

Koliko sam razumeo, proces nastajanja uslova pogodnih za zivot na Zemlji poceo je kada je poceo ciklus kruzenja vode na Zemlji (voda oko zemlje je pala na zemlju ... ) vodena para -> kondenzacija -> kisa pada na zemlju -> zemlja vruca -> greje kisu do tacke isparavanja -> vodena para odlazi u vise slojeve atmosfere -> tamo se hladi, a samim tim i hladi samu Zemlju posto toplota odlazi u svemir -> opet se kondenzuje i pada na Zemlju i sve u krug.

Tako da je kruzni tok vode na Zemlji takodje neka vrsta negativne povratne sprege koji je na planeti stvorio klimatske a i ko zna koje druge uslove koji su omogucili nastanak zivota. A posle su se i sama ziva bica na nadogradila, tako sto su pocela sigurno i na neki svoj nacin zajedno sa svetom oko sebe da doprinose stvaranju jos povoljnijih uslova.
Milan M. Ćirković Milan M. Ćirković 14:18 21.01.2008

Re: Planetarna automatika

d j o l e
Pitanje u vezi sa Milutinom Milankovicem ... i njegovim modelom (ne
samo njegovim ... ustvari jednim od najstarijih modela nastanka zivota
na zemlji) koji je opiso u knjizi "Kroz vasionu i vekove".

Koliko sam razumeo, proces nastajanja uslova pogodnih za zivot na
Zemlji poceo je kada je poceo ciklus kruzenja vode na Zemlji (voda oko
zemlje je pala na zemlju ... ) vodena para -> kondenzacija ->
kisa pada na zemlju -> zemlja vruca -> greje kisu do tacke
isparavanja -> vodena para odlazi u vise slojeve atmosfere ->
tamo se hladi, a samim tim i hladi samu Zemlju posto toplota odlazi u
svemir -> opet se kondenzuje i pada na Zemlju i sve u krug.

Tako da je kruzni tok vode na Zemlji takodje neka vrsta negativne
povratne sprege koji je na planeti stvorio klimatske a i ko zna koje
druge uslove koji su omogucili nastanak zivota. A posle su se i sama
ziva bica na nadogradila, tako sto su pocela sigurno i na neki svoj
nacin zajedno sa svetom oko sebe da doprinose stvaranju jos povoljnijih
uslova.

Pa tu nema dileme - jedino sto je nejasno, kao sto i sami kazete, u kojoj meri su jasni svi parametri koji su igrali ulogu u biogenezi. Npr. s obzirom da je danas jasno da je voda na Zemlji stigla sudarima sa kometama, nejasno je koliko je drugih materija, posebno jednostavnih organskih jedinjenja, stiglo zajedno sa njom... I ima drugih slicnih pitanja kojih smo tek odskora postali svesni, a jos smo daleko od odgovora.

Arhiva

   

Kategorije aktivne u poslednjih 7 dana