Земята е като жив организъм! Хипотезата на учения Джеймс Лавлок

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Нашата планета е уникална. Точно както всеки от нас е различен от каменните статуи на римските богове, така и Земята е различна от Марс, Венера и други известни планети. Нека разкажем историята на една от може би най-удивителните и противоречиви хипотези на нашето време - хипотезата на Гея, която ни приканва да погледнем на Земята като на жив организъм.

Земята е нашия "умен дом"

Джеймс Ефраим Лавлок отпразнува стогодишнината си миналото лято. Учен, изобретател, инженер, независим мислител, човек, известен не толкова с изобретенията си, колкото с удивителното предположение, че Земята е саморегулиращ се суперорганизъм, който през по-голямата част от своята история, последните три милиарда години, е поддържал благоприятни условия за живот на повърхността…

Наречена на Гея - богинята от древногръцката митология, олицетворяваща Земята - хипотезата, за разлика от традиционните науки, предполага, че глобалната екосистема на планетата се държи като биологичен организъм, а не като неодушевен обект, контролиран от геоложки процеси.

За разлика от традиционните науки за Земята, Лавлок предлага да се разглежда планетата не като съвкупност от отделни системи - атмосфера, литосфера, хидросфера и биосфера - а като единна система, където всеки от нейните компоненти, развивайки се и променяйки, влияе върху развитието на други компоненти. Освен това тази система е саморегулираща се и подобно на живите организми има механизми на обратна връзка. За разлика от други известни планети, чрез използването на обратни връзки между живия и неодушевения свят, Земята поддържа своите климатични и екологични параметри, за да остане благоприятен дом за живите същества.

Още от момента на появата си тази идея беше основателно критикувана и не беше приета от научната общност, което обаче не й пречи да развълнува въображението и да събира много поддръжници по целия свят. Въпреки стогодишнината, Лавлок сега, както по-голямата част от дългия си живот, оставайки под огъня на критиката, продължава да защитава теорията, модифицира и усложнява, продължава да работи и да се занимава с научна дейност.

Има ли живот на Марс

Но преди да насочи вниманието си към живота на Земята, Джеймс Лавлок беше зает да търси живот на Марс. През 1961 г., само четири години след като СССР изстреля първия изкуствен спътник на нашата планета в космоса, Лавлок е поканен да работи в НАСА.

Като част от програмата Viking агенцията планира да изпрати две сонди на Марс за изследване на планетата и по-специално за търсене на следи от жизнената активност на микроорганизмите в нейната почва. Именно устройствата за откриване на живот, които трябваше да бъдат инсталирани на борда на сондите, ученият разработи, работейки в Пасадена, в лабораторията за реактивно движение, изследователски център, който създава и поддържа космически кораби за НАСА. Между другото, той буквално работеше рамо до рамо – в един и същи кабинет – с известния астрофизик и популяризатор на науката Карл Саган.

Работата му не беше чисто инженерна. Заедно с него работеха биолози, физици и химици. Това му позволи да се гмурне с глава в експерименти, за да намери начини да открие живота и да разгледа проблема от всички страни.

В резултат на това Лавлок се запита: "Ако аз самият бях на Марс, как бих могъл да разбера, че има живот на Земята?" А той отговори: „Според нейната атмосфера, която се противопоставя на всякакви естествени очаквания“. Свободният кислород съставлява 20 процента от атмосферата на планетата, докато законите на химията казват, че кислородът е силно реактивен газ - и целият той трябва да бъде свързан в различни минерали и скали.

Лавлок заключи, че животът – микроби, растения и животни, които постоянно метаболизират материята в енергия, превръщат слънчевата светлина в хранителни вещества, отделят и абсорбират газ – е това, което прави земната атмосфера такава, каквато е. За разлика от тях, атмосферата на Марс е практически мъртва и е в нискоенергийно равновесие, без почти никакви химически реакции.

През януари 1965 г. Лавлок е поканен на ключова среща за търсенето на живот на Марс. Подготвяйки се за важно събитие, ученият прочете кратка книга на Ервин Шрьодингер „Какво е животът“. Същият Шрьодингер - физик-теоретик, един от основателите на квантовата механика и автор на добре познатия мисловен експеримент. С тази работа физикът направи принос към биологията. Последните две глави на книгата съдържат разсъжденията на Шрьодингер за естеството на живота.

Шрьодингер изхожда от предположението, че живият организъм в процеса на съществуване непрекъснато увеличава своята ентропия - или, с други думи, произвежда положителна ентропия. Той въвежда концепцията за отрицателна ентропия, която живите организми трябва да получат от околния свят, за да компенсират нарастването на положителната ентропия, което води до термодинамично равновесие и следователно до смърт. В прост смисъл ентропията е хаос, самоунищожение и самоунищожение. Отрицателната ентропия е това, което тялото яде. Според Шрьодингер това е една от основните разлики между живота и неживата природа. Живата система трябва да изнася ентропия, за да поддържа собствената си ентропия ниска.

Тази книга вдъхнови Лавлок да попита: „Не би ли било по-лесно да се търси живот на Марс, търсейки ниска ентропия като планетарно свойство, отколкото да се заровиш в реголит в търсене на марсиански организми?“В този случай прост атмосферен анализ с помощта на газов хроматограф е достатъчен, за да се намери ниска ентропия. Затова ученият препоръча НАСА да спести пари и да отмени мисията Викинг.

До звездите

Джеймс Лавлок е роден на 26 юли 1919 г. в Лечуърт, малък град в Хертфордшир в югоизточната част на Англия. Този град, построен през 1903 г. на 60 километра от Лондон и е част от зеления му пояс, е първото селище в Обединеното кралство, основано в съответствие с градоустройствената концепция на "градския град". В началото на миналия век именно идеята завладя много страни за мегаполисите на бъдещето, които да съчетаят най-добрите имоти на град и село. Джеймс е роден в работническо семейство, родителите му нямат образование, но са направили всичко, за да го получи синът им.

През 1941 г. Лавлок завършва университета в Манчестър – един от водещите британски университети измежду известните „Университети с червени тухли“. Там той учи при професор Александър Тод, изключителен английски органичен химик, носител на Нобелова награда за изследване на нуклеотиди и нуклеинови киселини.

През 1948 г. Лавлок получава докторска степен от Лондонския институт по хигиена и тропическа медицина. През този период от живота си младият учен се занимава с медицински изследвания и изобретява устройствата, необходими за тези експерименти.

Лавлок се отличаваше с много хуманно отношение към лабораторните животни - до степен, че беше готов да провежда експерименти върху себе си. В едно от своите проучвания Лавлок и други учени търсят причината за увреждане на живите клетки и тъкани по време на измръзване. Опитните животни - хамстерите, върху които е проведен експериментът - трябвало да бъдат замразени, след което затоплени и върнати към живот.

Но ако процесът на замразяване е сравнително безболезнен за животните, тогава размразяването предполага, че гризачите трябва да поставят горещи супени лъжици върху гърдите си, за да стоплят сърцата си и да принудят кръвта да циркулира през тялото. Това беше изключително болезнена процедура. Но за разлика от Лавлок, неговите колеги биолози не съжаляваха за лабораторните гризачи.

Тогава ученият изобретява устройство, което има почти всичко, което може да се очаква от обикновена микровълнова фурна - всъщност това беше. Можете да поставите там замразен хамстер, да настроите таймер и след определено време той се събуди. Един ден, от любопитство, Лавлок затопли обяда си по същия начин. Той обаче не се сети навреме да получи патент за изобретението си.

През 1957 г. Лавлок изобретява детектора за улавяне на електрони, изключително чувствително устройство, което революционизира измерването на свръхниски концентрации на газове в атмосферата и по-специално в откриването на химически съединения, които представляват заплаха за околната среда.

В края на 50-те години на миналия век устройството е използвано, за да демонстрира, че атмосферата на планетата е пълна с остатъци от пестицида DDT (дихлордифенилтрихлоретан). Този изключително ефективен и лесен за получаване пестицид се използва широко от Втората световна война. За откриването на уникалните му свойства швейцарският химик Пол Мюлер е удостоен с Нобелова награда за медицина през 1948 г. Тази награда беше присъдена не само за спасените реколти, но и за милиони спасени животи: ДДТ беше използван по време на войната за борба с маларията и тиф сред цивилни и военни.

Едва в края на 50-те години присъствието на опасен пестицид беше открито почти навсякъде по Земята - от черния дроб на пингвин в Антарктида до кърмата на кърмещи майки в Съединените щати.

Детекторът предостави точни данни за книгата от 1962 г. "Тиха пролет", написана от американската екологка Рейчъл Карсън, която стартира международната кампания за забрана на употребата на ДДТ. В книгата се твърди, че DDT и други пестициди причиняват рак и че използването им в селското стопанство представлява заплаха за дивата природа, особено птиците. Публикацията беше знаково събитие в движението за опазване на околната среда и предизвика широк обществен протест, което в крайна сметка доведе до забраната за селскостопанска употреба на DDT в Съединените щати, а след това и по света през 1972 г.

Малко по-късно, след като започва работа в НАСА, Лавлок пътува до Антарктида и с помощта на своя детектор открива повсеместното присъствие на хлорофлуоровъглеводороди – изкуствени газове, за които сега се знае, че разрушават стратосферния озонов слой. И двете открития бяха изключително важни за екологичното движение на планетата.

Така че, когато Американската администрация по аеронавтика и космос планира своите лунни и планетарни мисии до началото на 60-те години и започна да търси някой, който може да създаде чувствително оборудване, което може да бъде изпратено в космоса, те се обърнаха към Лавлок. Увлечен от научната фантастика от детството, той прие предложението с ентусиазъм и, разбира се, не можеше да откаже.

Планети живи и мъртви

Работата в лабораторията за реактивно движение предостави на Лавлок отлична възможност да получи първите доказателства за природата на Марс и Венера, предавани от космически сонди. И това несъмнено бяха напълно мъртви планети, поразително различни от нашия процъфтяващ и жив свят.

Земята има атмосфера, която е термодинамично нестабилна. Газове като кислород, метан и въглероден диоксид се произвеждат в големи количества, но съжителстват в стабилно динамично равновесие.

Странната и нестабилна атмосфера, която дишаме, изисква нещо на земната повърхност, което може непрекъснато да синтезира огромни количества от тези газове, както и да ги отстранява от атмосферата в същото време. В същото време климатът на планетата е доста чувствителен към изобилието от многоатомни газове като метан и въглероден диоксид.

Lovelock постепенно развива идеята за регулаторната роля на такива цикли от вещества в природата - по аналогия с метаболитните процеси в тялото на животно. И в тези процеси участва земният живот, който според теорията на Лавлок не само участва в тях, но и се е научил да поддържа необходимите условия за съществуване за себе си, като е влязъл в някаква форма на взаимноизгодно сътрудничество с планетата.

И ако първоначално всичко това беше чиста спекулация, то през 1971 г. Лавлок имаше възможност да обсъди тази тема с изключителния биолог Лин Маргулис, създател на съвременната версия на теорията на симбиогенезата и първата съпруга на Карл Сейгън.

Маргулис е съавтор на хипотезата на Гея. Тя предположи, че микроорганизмите трябва да играят свързваща роля в областта на взаимодействието между живота и планетата. Както Ловлок отбеляза в едно от интервютата си, „Би било справедливо да се каже, че тя вложи плът в костите на моята физиологична концепция за жива планета“.

Поради новостта на концепцията и нейното несъответствие с традиционните науки, Lovelock се нуждаеше от кратко и запомнящо се име. Именно тогава, през 1969 г., приятел и съсед на учения, физик и писател, лауреат на Нобелова награда, както и авторът на романа Господар на мухите, Уилям Голдинг, предложиха да нарече тази идея Гея - в чест на древногръцката богиня на Земята.

Как работи

Според концепцията на Лавлок, еволюцията на живота, тоест съвкупността от всички биологични организми на планетата, е толкова тясно свързана с еволюцията на тяхната физическа среда в глобален мащаб, че заедно образуват единна саморазвиваща се система със себе си -регулаторни свойства, подобни на физиологичните свойства на жив организъм.

Животът не просто се приспособява към планетата: той я променя за собствените си цели. Еволюция е двоен танц, в който се върти всичко живо и неодушевено. От този танц излиза същността на Гея.

Лавлок въвежда концепцията за геофизиология, която предполага системен подход към науките за Земята. Геофизиологията е представена като синтетична наука за Земята, която изучава свойствата и развитието на интегрална система, чиито тясно свързани компоненти са биотата, атмосферата, океаните и земната кора.

Неговите задачи включват търсене и изучаване на механизми за саморегулация на планетарно ниво. Геофизиологията има за цел да установи връзки между цикличните процеси на клетъчно-молекулярно ниво с подобни процеси на други свързани нива, като организма, екосистемите и планетата като цяло.

През 1971 г. се предполага, че живите организми са способни да произвеждат вещества, които имат регулаторно значение за климата. Това се потвърждава, когато през 1973 г. е открито излъчването на диметилсулфид от умиращи планктонни организми.

Капчиците диметилсулфид, навлизащи в атмосферата, служат като ядра на кондензация на водни пари, причинявайки образуването на облаци. Плътността и площта на облачната покривка значително влияят на албедото на нашата планета - способността му да отразява слънчевата радиация.

В същото време, падайки на земята заедно с дъжда, тези серни съединения насърчават растежа на растенията, което от своя страна ускорява излужването на скалите. Биогените, образувани в резултат на излугването, се измиват в реките и в крайна сметка се озовават в океаните, насърчавайки растежа на планктонните водорасли.

Цикълът на движение на диметилсулфида е затворен. В подкрепа на това през 1990 г. беше установено, че облачността над океаните корелира с разпределението на планктона.

Според Лавлок днес, когато атмосферата е прегрята в резултат на човешка дейност, биогенният механизъм на регулиране на облачността става изключително важен.

Друг регулаторен елемент на Gaia е въглеродният диоксид, който геофизиологията счита за ключов метаболитен газ. Климатът, растежът на растенията и производството на свободен атмосферен кислород зависят от неговата концентрация. Колкото повече въглерод се съхранява, толкова повече кислород се отделя в атмосферата.

Чрез контролиране на концентрацията на въглероден диоксид в атмосферата, биотата по този начин регулира средната температура на планетата. През 1981 г. се предполага, че такава саморегулация се осъществява чрез биогенно усилване на процеса на изветряне на скалите.

Лавлок сравнява трудността при разбирането на процесите, протичащи на планетата, с трудността при разбирането на икономиката. Икономистът от 18-ти век Адам Смит е най-известен с това, че въвежда концепцията за „невидимата ръка“в науката, което кара необуздания търговски личен интерес по някакъв начин да работи за общото благо.

Същото е и с планетата, казва Лавлок: когато тя „съзрява“, тя започва да поддържа условия, подходящи за съществуването на живот, и „невидимата ръка“е в състояние да насочи разнородните интереси на организмите към общата кауза за поддържане тези условия.

Дарвин срещу Лавлок

Публикуван през 1979 г., Gaia: A New Look at Life on Earth става бестселър. Той беше добре приет от природозащитниците, но не и от учените, повечето от които отхвърлиха идеите, които съдържаше.

Известният критик на креационизма и интелигентния дизайн, професор в Оксфордския университет и автор на „Егоистичния ген“, Ричард Докинс, осъди теорията на Гея като „дълбоко погрешна“ерес срещу основния принцип на дарвинисткия естествен подбор: „най-способният оцелява“. И все пак, защото теорията на Гея гласи, че животните, растенията и микроорганизмите не само се конкурират, но и си сътрудничат, за да поддържат околната среда.

Когато теорията на Гея беше обсъдена за първи път, дарвинистките биолози бяха сред най-яростните й противници. Те твърдят, че сътрудничеството, необходимо за саморегулирането на Земята, никога не може да се комбинира с конкуренцията, необходима за естествения подбор.

В допълнение към самата същност, името, взето от митологията, също предизвика недоволство. Всичко това изглеждаше като нова религия, където самата Земя стана обект на обожение. Талантливият полемист Ричард Докинс оспорва теорията на Лавлок със същата енергия, която по-късно използва във връзка с концепцията за съществуването на Бог.

Лавлок продължи да опровергава критиките им с доказателства за саморегулиране, събрани от неговите изследвания и математически модели, които илюстрират как работи саморегулирането на планетарния климат. Теорията на Гея е физиологичен поглед отгоре надолу към земната система. Тя разглежда Земята като динамично реагираща планета и обяснява защо е толкова различна от Марс или Венера.

Критиката се основава главно на погрешното схващане, че новата хипотеза е антидарвинистка.

„Естественият подбор благоприятства подобрители“, каза Лавлок. Неговата теория само детайлизира теорията на Дарвин, което предполага, че природата благоприятства организмите, които оставят околната среда в по-добра форма, за да оцелеят потомството.

Тези видове живи същества, които влияят негативно на околната среда, я правят по-малко подходяща за потомството и в крайна сметка ще бъдат изгонени от планетата - както и по-слабите, еволюционно неприспособени видове, твърди Лавлок.

Коперник чака своя Нютон

Обобщавайки, трябва да се каже, че научната концепция за Земята като интегрална жива система, жив суперорганизъм е разработена от учени и мислители натуралистки от 18 век. Тази тема беше обсъдена от бащата на съвременната геология и геохронология Джеймс Хътън, естествен учен, който даде на света термина "биология" Жан-Батист Ламарк, натуралист и пътешественик, един от основателите на географията като независима наука, Александър фон Хумболт.

През XX век идеята се развива в научно обоснована концепция за биосферата на изключителния руски и съветски учен и мислител Владимир Иванович Вернадски. В своята научна и теоретична част концепцията за Гея е подобна на "Биосферата". Въпреки това, през 70-те години на миналия век Лавлок все още не е запознат с произведенията на Вернадски. По това време нямаше успешни преводи на работата му на английски: както казва Лавлок, англоезичните учени традиционно са „глухи“да работят на други езици.

Лавлок, подобно на дългогодишната си колежка Лин Маргулис, вече не настоява, че Гея е суперорганизъм. Днес той признава, че в много отношения неговият термин "организъм" е просто полезна метафора.

Концепцията на Чарлз Дарвин за „борба за оцеляване“обаче може да се счита за метафора със същата причина. В същото време това не попречи на дарвинистката теория да завладее света. Метафори като тези могат да стимулират научната мисъл, движейки ни все по-напред по пътя на знанието.

Днес хипотезата на Гея се превърна в тласък за развитието на съвременна версия на системната наука за организмите на Земята – геофизиологията. Може би с течение на времето тя ще се превърне в синтетичната биосферна наука, която Вернадски някога е мечтал да създаде. Сега тя е на път да се превърне и трансформира в традиционна, общопризната област на знанието.

Неслучайно видният британски еволюционен биолог Уилям Хамилтън - менторът на един от най-отчаяните критици на теорията Ричард Докинс и авторът на израза "егоистичният ген", използван от последния в заглавието на книгата си - нарече Джеймс Лавлок „Коперник в очакване на своя Нютон“.