Ziemia jest jak żywy organizm! Hipoteza naukowca Jamesa Lovelocka

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Nasza planeta jest wyjątkowa. Tak jak każdy z nas różni się od kamiennych posągów rzymskich bogów, tak Ziemia różni się od Marsa, Wenus i innych znanych planet. Opowiedzmy historię jednej z być może najbardziej zdumiewających i kontrowersyjnych hipotez naszych czasów - hipotezy Gai, która zachęca nas do spojrzenia na Ziemię jak na żywy organizm.

Ziemia to nasz „inteligentny dom”

James Ephraim Lovelock obchodził swoje stulecie zeszłego lata. Naukowiec, wynalazca, inżynier, niezależny myśliciel, osoba znana nie tyle ze swoich wynalazków, ile z niesamowitego założenia, że Ziemia jest samoregulującym się superorganizmem, który przez większość swojej historii, ostatnich trzech miliardów lat, utrzymywał sprzyjające warunki o życie na powierzchni…

Nazwana na cześć Gai - bogini starożytnej greckiej mitologii, uosabiająca Ziemię - hipoteza, w przeciwieństwie do tradycyjnych nauk, sugeruje, że globalny ekosystem planety zachowuje się jak organizm biologiczny, a nie jak obiekt nieożywiony kontrolowany przez procesy geologiczne.

W przeciwieństwie do tradycyjnych nauk o Ziemi, Lovelock proponuje traktować planetę nie jako zbiór oddzielnych systemów – atmosferę, litosferę, hydrosferę i biosferę – ale jako jeden system, w którym każdy z jej składników, rozwijając się i zmieniając, wpływa na rozwój. innych komponentów. Co więcej, system ten jest samoregulujący i podobnie jak organizmy żywe posiada mechanizmy odwrotnej zależności. W przeciwieństwie do innych znanych planet, poprzez wykorzystanie odwrotnych relacji między światem żywym i nieożywionym, Ziemia zachowuje swoje parametry klimatyczne i środowiskowe, aby pozostać korzystnym domem dla żywych istot.

Idea ta od samego momentu pojawienia się była słusznie krytykowana i nie została zaakceptowana przez środowisko naukowe, co nie przeszkadza mu jednak w rozbudzaniu wyobraźni i gromadzeniu wielu zwolenników na całym świecie. Lovelock, mimo setnej rocznicy, teraz, jak większość swojego długiego życia, pozostając pod ostrzałem krytyki, nadal broni swojej teorii, modyfikuje ją i komplikuje, kontynuuje pracę i działalność naukową.

Czy na Marsie jest życie?

Ale zanim zwrócił uwagę na życie na Ziemi, James Lovelock był zajęty szukaniem życia na Marsie. W 1961 roku, zaledwie cztery lata po tym, jak ZSRR wystrzelił w kosmos pierwszego sztucznego satelitę naszej planety, Lovelock został zaproszony do pracy w NASA.

W ramach programu Viking agencja planowała wysłać na Marsa dwie sondy w celu zbadania planety, a w szczególności poszukiwania śladów żywotnej aktywności mikroorganizmów w jej glebie. To właśnie urządzenia do wykrywania życia, które miały być instalowane na pokładzie sond, naukowiec opracował, pracując w Pasadenie, w Jet Propulsion Laboratory, ośrodku badawczym, który tworzy i obsługuje statki kosmiczne dla NASA. Nawiasem mówiąc, dosłownie pracował ramię w ramię – w tym samym biurze – ze słynnym astrofizykiem i popularyzatorem nauki Karlem Saganem.

Jego praca nie była czysto inżynierska. Obok niego pracowali biolodzy, fizycy i chemicy. To pozwoliło mu zagłębić się w eksperymenty, aby znaleźć sposoby na wykrycie życia i spojrzeć na problem ze wszystkich stron.

W rezultacie Lovelock zadał sobie pytanie: „Gdybym sam był na Marsie, jak mógłbym zrozumieć, że na Ziemi istnieje życie?” A on odpowiedział: „Zgodnie z jej atmosferą, która przeczy wszelkim naturalnym oczekiwaniom”. Wolny tlen stanowi 20 procent atmosfery planety, podczas gdy prawa chemiczne mówią, że tlen jest bardzo reaktywnym gazem – a wszystko to musi być związane z różnymi minerałami i skałami.

Lovelock doszedł do wniosku, że życie – drobnoustroje, rośliny i zwierzęta, nieustannie metabolizujące materię w energię, zamieniające światło słoneczne w składniki odżywcze, uwalniające i pochłaniające gaz – jest tym, co sprawia, że atmosfera Ziemi jest taka, jaka jest. W przeciwieństwie do tego, marsjańska atmosfera jest praktycznie martwa i znajduje się w równowadze niskoenergetycznej, prawie bez reakcji chemicznych.

W styczniu 1965 Lovelock został zaproszony na kluczowe spotkanie dotyczące poszukiwania życia na Marsie. W ramach przygotowań do ważnego wydarzenia naukowiec przeczytał krótką książkę Erwina Schrödingera „Czym jest życie”. Ten sam Schrödinger – fizyk teoretyczny, jeden z twórców mechaniki kwantowej i autor znanego eksperymentu myślowego. Dzięki tej pracy fizyk wniósł wkład do biologii. Ostatnie dwa rozdziały książki zawierają refleksje Schrödingera na temat natury życia.

Schrödinger wyszedł z założenia, że organizm żywy w procesie istnienia stale zwiększa swoją entropię – czyli inaczej wytwarza entropię dodatnią. Wprowadza pojęcie entropii ujemnej, którą organizmy żywe muszą otrzymać z otaczającego świata, aby zrekompensować wzrost entropii dodatniej, prowadzącej do równowagi termodynamicznej, a więc do śmierci. W prostym sensie entropia to chaos, samozniszczenie i samozniszczenie. Ujemna entropia jest tym, co zjada organizm. Według Schrödingera jest to jedna z głównych różnic między życiem a naturą nieożywioną. Żywy system musi eksportować entropię, aby utrzymać swoją entropię na niskim poziomie.

Książka ta zainspirowała Lovelocka do zadania pytania: „Czy nie byłoby łatwiej szukać życia na Marsie, szukając niskiej entropii jako własności planety, niż zakopywać się w regolicie w poszukiwaniu organizmów marsjańskich?” W tym przypadku prosta analiza atmosfery przy użyciu chromatografu gazowego wystarcza do znalezienia niskiej entropii. Dlatego naukowiec zalecił NASA zaoszczędzenie pieniędzy i anulowanie misji Wikingów.

Do gwiazd

James Lovelock urodził się 26 lipca 1919 roku w Letchworth, małym miasteczku w Hertfordshire w południowo-wschodniej Anglii. To miasto, zbudowane w 1903 roku 60 kilometrów od Londynu i jest częścią jego zielonego pasa, było pierwszą osadą w Wielkiej Brytanii, założoną zgodnie z urbanistyczną koncepcją „miasta ogrodu”. Na początku zeszłego stulecia to właśnie idea przyciągnęła wiele krajów na temat megamiast przyszłości, które łączyłyby w sobie najlepsze cechy miasta i wsi. James urodził się w rodzinie robotniczej, jego rodzice nie mieli wykształcenia, ale zrobili wszystko, aby ich syn otrzymał je.

W 1941 roku Lovelock ukończył Uniwersytet w Manchesterze – jedną z czołowych brytyjskich uczelni spośród słynnych „Red Brick Universities”. Tam studiował u profesora Alexandra Todda, wybitnego angielskiego chemika organicznego, laureata Nagrody Nobla za badania nad nukleotydami i kwasami nukleinowymi.

W 1948 Lovelock otrzymał tytuł doktora medycyny w Londyńskim Instytucie Higieny i Medycyny Tropikalnej. W tym okresie życia młody naukowiec zajmuje się badaniami medycznymi i wynajduje urządzenia niezbędne do tych eksperymentów.

Lovelock wyróżniał się bardzo humanitarnym podejściem do zwierząt laboratoryjnych – do tego stopnia, że był gotów przeprowadzać na sobie eksperymenty. W jednym ze swoich badań Lovelock i inni naukowcy szukali przyczyny uszkodzenia żywych komórek i tkanek podczas odmrożeń. Zwierzęta doświadczalne - chomiki, na których przeprowadzono eksperyment - miały zostać zamrożone, a następnie ogrzane i przywrócone do życia.

Ale jeśli proces zamrażania był dla zwierząt stosunkowo bezbolesny, to rozmrażanie sugerowało, że gryzonie muszą położyć na piersiach gorące łyżki stołowe, aby ogrzać serca i zmusić krew do cyrkulacji w ciele. To był niezwykle bolesny zabieg. Ale w przeciwieństwie do Lovelocka, jego koledzy biologowie nie żałowali gryzoni laboratoryjnych.

Następnie naukowiec wynalazł urządzenie, które miało prawie wszystko, czego można oczekiwać od zwykłej kuchenki mikrofalowej - w rzeczywistości to było to. Można było tam postawić zamrożonego chomika, ustawić minutnik i po określonym czasie się obudził. Pewnego dnia, z ciekawości, Lovelock podgrzał swój lunch w ten sam sposób. Nie sądził jednak, by na czas uzyskać patent na swój wynalazek.

W 1957 roku Lovelock wynalazł detektor wychwytu elektronów, niezwykle czułe urządzenie, które zrewolucjonizowało pomiar ultraniskich stężeń gazów w atmosferze, a w szczególności wykrywanie związków chemicznych zagrażających środowisku.

Pod koniec lat pięćdziesiątych urządzenie zostało użyte do wykazania, że atmosfera planety była pełna pozostałości pestycydu DDT (dichlorodifenylotrichloroetanu). Ten niezwykle skuteczny i łatwy do uzyskania pestycyd jest szeroko stosowany od czasów II wojny światowej. Za odkrycie jego unikalnych właściwości, szwajcarski chemik Paul Müller otrzymał w 1948 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny. Nagroda ta została przyznana nie tylko za uratowane plony, ale także za uratowane miliony istnień ludzkich: DDT był używany podczas wojny do zwalczania malarii i tyfusu wśród ludności cywilnej i personelu wojskowego.

Dopiero pod koniec lat 50. obecność niebezpiecznego pestycydu została odkryta niemal na całym świecie – od wątroby pingwina na Antarktydzie po mleko matki karmiącej piersią w Stanach Zjednoczonych.

Wykrywacz dostarczył dokładnych danych do książki „Cicha wiosna” z 1962 roku, napisanej przez amerykańską ekolog Rachel Carson, która rozpoczęła międzynarodową kampanię zakazującą używania DDT. Książka argumentowała, że DDT i inne pestycydy powodują raka i że ich stosowanie w rolnictwie stanowi zagrożenie dla dzikiej przyrody, zwłaszcza ptaków. Publikacja była przełomowym wydarzeniem w ruchu ekologicznym i wywołała szerokie oburzenie społeczne, które ostatecznie doprowadziło do zakazu stosowania DDT w rolnictwie w Stanach Zjednoczonych, a następnie na całym świecie w 1972 roku.

Nieco później, po rozpoczęciu pracy w NASA, Lovelock udał się na Antarktydę i za pomocą swojego detektora odkrył wszechobecną obecność chlorofluorowęglowodorów - sztucznych gazów, o których obecnie wiadomo, że zubożają stratosferyczną warstwę ozonową. Oba te odkrycia były niezwykle ważne dla ruchu ekologicznego planety.

Kiedy więc US Aeronautics and Space Administration zaplanowała swoje misje księżycowe i planetarne na początku lat sześćdziesiątych i zaczęła szukać kogoś, kto potrafiłby stworzyć czuły sprzęt, który można by wysłać w kosmos, zwrócili się do Lovelocka. Od dziecka zafascynowany fantastyką naukową, przyjął propozycję z entuzjazmem i oczywiście nie mógł odmówić.

Planety żywe i martwe

Praca w Jet Propulsion Laboratory dała Lovelockowi doskonałą okazję do otrzymania pierwszych dowodów na naturę Marsa i Wenus przesłanych przez sondy kosmiczne. A były to niewątpliwie całkowicie martwe planety, uderzająco różne od naszego kwitnącego i żywego świata.

Ziemia ma atmosferę niestabilną termodynamicznie. Gazy takie jak tlen, metan i dwutlenek węgla są produkowane w dużych ilościach, ale współistnieją w stabilnej równowadze dynamicznej.

Dziwna i niestabilna atmosfera, którą oddychamy, wymaga czegoś na powierzchni Ziemi, które może nieustannie syntetyzować ogromne ilości tych gazów, a także jednocześnie usuwać je z atmosfery. Jednocześnie klimat planety jest dość wrażliwy na obfitość gazów wieloatomowych, takich jak metan i dwutlenek węgla.

Lovelock stopniowo rozwija wyobrażenie o regulacyjnej roli takich cykli substancji w przyrodzie - przez analogię z procesami metabolicznymi w ciele zwierzęcia. A w te procesy zaangażowane jest życie ziemskie, które zgodnie z teorią Lovelocka nie tylko w nich uczestniczy, ale także nauczyło się utrzymywać dla siebie niezbędne warunki egzystencji, wchodząc w jakąś formę wzajemnie korzystnej współpracy z planetą.

A jeśli początkowo to wszystko było czystą spekulacją, to w 1971 roku Lovelock miał okazję porozmawiać na ten temat z wybitną biolożką Lynn Margulis, twórcą nowoczesnej wersji teorii symbiogenezy i pierwszą żoną Carla Sagana.

Margulis jest współautorem hipotezy Gai. Zasugerowała, że mikroorganizmy powinny odgrywać rolę łączącą w polu interakcji między życiem a planetą. Jak zauważył Lovelock w jednym ze swoich wywiadów: „Można byłoby uczciwie powiedzieć, że włożyła mięso w kości mojej fizjologicznej koncepcji żyjącej planety”.

Ze względu na nowość koncepcji i jej niespójność z tradycyjnymi naukami, Lovelock potrzebował krótkiej i zapadającej w pamięć nazwy. To właśnie wtedy, w 1969 r. przyjaciel i sąsiad naukowca, fizyka i pisarza, noblisty, a także autor powieści Władca much, William Golding, zaproponował nazwanie tego pomysłu Gają – na cześć starożytna grecka bogini ziemi.

Jak to działa

Zgodnie z koncepcją Lovelocka ewolucja życia, czyli ogółu wszystkich organizmów biologicznych na planecie, jest tak ściśle powiązana z ewolucją ich fizycznego środowiska w skali globalnej, że razem tworzą jeden samorozwijający się system z własnym -właściwości regulacyjne zbliżone do właściwości fizjologicznych organizmu żywego.

Życie nie tylko dostosowuje się do planety: zmienia ją do własnych celów. Ewolucja to taniec w parach, w którym kręci się wszystko, co żywe i nieożywione. Z tego tańca wyłania się esencja Gai.

Lovelock wprowadza pojęcie geofizjologii, które implikuje systemowe podejście do nauk o Ziemi. Geofizjologia jest przedstawiana jako syntetyczna nauka o ziemi, która bada właściwości i rozwój integralnego systemu, którego blisko spokrewnione elementy to biota, atmosfera, oceany i skorupa ziemska.

Do jej zadań należy poszukiwanie i badanie mechanizmów samoregulacji na poziomie planetarnym. Geofizjologia ma na celu ustalenie powiązań między procesami cyklicznymi na poziomie komórkowym i molekularnym z podobnymi procesami na innych powiązanych poziomach, takich jak organizm, ekosystemy i planeta jako całość.

W 1971 roku zasugerowano, że organizmy żywe są zdolne do wytwarzania substancji mających znaczenie regulacyjne dla klimatu. Zostało to potwierdzone, gdy w 1973 roku odkryto emisję siarczku dimetylu z umierających organizmów planktonowych.

Kropelki siarczku dimetylu, dostające się do atmosfery, służą jako jądra kondensacji pary wodnej, powodując tworzenie się chmur. Gęstość i powierzchnia zachmurzenia znacząco wpływają na albedo naszej planety – jej zdolność do odbijania promieniowania słonecznego.

Jednocześnie, opadając na ziemię wraz z deszczem, te związki siarki sprzyjają wzrostowi roślin, co z kolei przyspiesza wymywanie skał. Biogeny powstałe w wyniku wymywania są wypłukiwane do rzek i ostatecznie trafiają do oceanów, promując wzrost glonów planktonowych.

Cykl przemieszczania się siarczku dimetylu jest zamknięty. Na poparcie tego odkryto w 1990 r., że zachmurzenie nad oceanami koreluje z rozmieszczeniem planktonu.

Zdaniem Lovelocka, dziś, gdy atmosfera ulega przegrzaniu w wyniku działalności człowieka, niezwykle ważny staje się biogenny mechanizm regulacji zachmurzenia.

Innym elementem regulacyjnym Gai jest dwutlenek węgla, który geofizjologia uważa za kluczowy gaz metaboliczny. Klimat, wzrost roślin i produkcja wolnego tlenu atmosferycznego zależą od jego stężenia. Im więcej węgla jest magazynowane, tym więcej tlenu jest uwalniane do atmosfery.

Biota kontrolując stężenie dwutlenku węgla w atmosferze reguluje w ten sposób średnią temperaturę planety. W 1981 roku zasugerowano, że taka samoregulacja zachodzi poprzez biogeniczne wzmocnienie procesu wietrzenia skał.

Lovelock porównuje trudność w zrozumieniu procesów zachodzących na planecie z trudnością w zrozumieniu ekonomii. XVIII-wieczny ekonomista Adam Smith jest najbardziej znany z wprowadzenia do nauki koncepcji „niewidzialnej ręki”, która sprawia, że nieokiełznany komercyjny interes własny w jakiś sposób działa na rzecz wspólnego dobra.

Podobnie jest z planetą, mówi Lovelock: kiedy „dojrzała”, zaczęła utrzymywać warunki odpowiednie do istnienia życia, a „niewidzialna ręka” była w stanie skierować rozbieżne interesy organizmów na wspólną sprawę utrzymania. te warunki.

Darwin kontra Lovelock

Wydana w 1979 roku Gaia: Nowe spojrzenie na życie na Ziemi stała się bestsellerem. Został dobrze przyjęty przez ekologów, ale nie przez naukowców, z których większość odrzuciła zawarte w nim idee.

Znany krytyk kreacjonizmu i inteligentnego projektu, profesor Uniwersytetu Oksfordzkiego i autor Samolubnego genu, Richard Dawkins, potępił teorię Gai jako „głęboko błędną” herezję przeciwko podstawowej zasadzie darwinowskiego doboru naturalnego: „najlepszy przetrwa”. Mimo to, ponieważ teoria Gai mówi, że zwierzęta, rośliny i mikroorganizmy nie tylko konkurują, ale także współpracują w celu utrzymania środowiska.

Kiedy po raz pierwszy omawiano teorię Gai, darwinowi biolodzy byli jednymi z jej najzagorzalszych przeciwników. Argumentowali, że współpraca niezbędna do samoregulacji Ziemi nigdy nie może być połączona z rywalizacją niezbędną do doboru naturalnego.

Oprócz samej esencji nazwa zaczerpnięta z mitologii również wywołała niezadowolenie. Wszystko to wyglądało jak nowa religia, w której sama Ziemia stała się przedmiotem przebóstwienia. Utalentowany polemista Richard Dawkins zakwestionował teorię Lovelocka z taką samą energią, jaką później użył w odniesieniu do koncepcji istnienia Boga.

Lovelock odpierał ich krytykę dowodami samoregulacji zebranymi z jego badań i modeli matematycznych, które ilustrowały, jak działa samoregulacja klimatu planety. Teoria Gai to odgórny, fizjologiczny obraz systemu Ziemi. Postrzega Ziemię jako dynamicznie reagującą planetę i wyjaśnia, dlaczego tak bardzo różni się od Marsa czy Wenus.

Krytyka opierała się głównie na błędnym przekonaniu, że nowa hipoteza jest antydarwinowska.

„Dobór naturalny faworyzuje wzmacniacze” – powiedział Lovelock. Jego teoria tylko szczegółowo przedstawia teorię Darwina, sugerując, że natura faworyzuje organizmy, które pozostawiają środowisko w lepszej kondycji, aby potomstwo przetrwało.

Te gatunki żywych istot, które negatywnie wpływają na środowisko, czynią je mniej odpowiednimi dla potomności i w końcu zostaną wydalone z planety – jak również gatunki słabsze, ewolucyjnie nieprzystosowane, przekonywał Lovelock.

Kopernik czeka na swojego Newtona

Podsumowując, należy stwierdzić, że naukowa koncepcja Ziemi jako integralnego żyjącego systemu, żywego superorganizmu była rozwijana przez przyrodników i myślicieli od XVIII wieku. Temat ten omówił ojciec współczesnej geologii i geochronologii James Hutton, przyrodnik, który dał światu termin „biologia” Jean-Baptiste Lamarck, przyrodnik i podróżnik, jeden z twórców geografii jako niezależnej nauki, Alexander von Humboldt.

W XX wieku idea ta została rozwinięta w naukowo ugruntowanej koncepcji biosfery wybitnego rosyjskiego i sowieckiego naukowca i myśliciela Władimira Iwanowicza Wernadskiego. W części naukowej i teoretycznej koncepcja Gai jest zbliżona do „Biosfery”. Jednak w latach 70. ubiegłego wieku Lovelock nie znał jeszcze dzieł Wernadskiego. W tamtym czasie nie było udanych przekładów jego prac na język angielski: jak to ujął Lovelock, anglojęzyczni naukowcy są tradycyjnie „głuchy” na pracę w innych językach.

Lovelock, podobnie jak jego długoletnia koleżanka Lynn Margulis, nie twierdzi już, że Gaia jest superorganizmem. Dziś zdaje sobie sprawę, że pod wieloma względami jego termin „organizm” jest tylko użyteczną metaforą.

Jednak koncepcję „walki o przetrwanie” Karola Darwina można uznać za metaforę z tego samego powodu. Jednocześnie nie przeszkodziło to teorii Darwina w podboju świata. Takie metafory mogą stymulować myśl naukową, posuwając nas coraz dalej na ścieżce wiedzy.

Dziś Hipoteza Gai stała się impulsem do rozwoju nowoczesnej wersji systemowej nauki o Ziemi – geofizjologii. Być może z czasem stanie się syntetyczną nauką o biosferze, o której stworzeniu Vernadsky marzył. Teraz jest na drodze do stania się i przekształcenia w tradycyjną, powszechnie uznaną dziedzinę wiedzy.

To nie przypadek, że wybitny brytyjski biolog ewolucyjny William Hamilton – mentor jednego z najbardziej zdesperowanych krytyków teorii, Richarda Dawkinsa, oraz autor użytego przez niego w tytule książki sformułowania „samolubny gen” - nazwał James Lovelock „Kopernik w oczekiwaniu na swojego Newtona”.