Bumi adalah seperti organisma hidup! Hipotesis saintis James Lovelock

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Planet kita adalah unik. Sama seperti setiap daripada kita berbeza daripada patung batu tuhan-tuhan Rom, Bumi adalah berbeza daripada Marikh, Zuhrah dan planet-planet lain yang diketahui. Mari kita ceritakan kisah salah satu, mungkin, hipotesis yang paling menakjubkan dan kontroversi pada zaman kita - hipotesis Gaia, yang menjemput kita untuk melihat Bumi sebagai organisma hidup.

Bumi adalah "rumah pintar" kita

James Ephraim Lovelock menyambut ulang tahun keseratusnya pada musim panas lalu. Saintis, pencipta, jurutera, pemikir bebas, seseorang yang tidak begitu terkenal dengan ciptaannya tetapi untuk andaian menakjubkan bahawa Bumi adalah superorganisma yang mengawal kendiri yang, untuk sebahagian besar sejarahnya, tiga bilion tahun yang lalu, telah mengekalkan keadaan yang menggalakkan. untuk kehidupan di permukaan…

Dinamakan untuk Gaia - dewi mitologi Yunani purba, mempersonifikasikan Bumi - hipotesis, tidak seperti sains tradisional, mencadangkan bahawa ekosistem global planet ini berkelakuan seperti organisma biologi, dan bukan seperti objek tidak bernyawa yang dikawal oleh proses geologi.

Berbeza dengan sains bumi tradisional, Lovelock bercadang untuk menganggap planet ini bukan sebagai satu set sistem berasingan - atmosfera, litosfera, hidrosfera dan biosfera - tetapi sebagai satu sistem, di mana setiap komponennya, berkembang dan berubah, mempengaruhi pembangunan. daripada komponen lain. Selain itu, sistem ini mengawal selia sendiri dan, seperti organisma hidup, mempunyai mekanisme hubungan songsang. Tidak seperti planet lain yang diketahui, melalui penggunaan hubungan songsang antara dunia yang hidup dan tidak bernyawa, Bumi mengekalkan iklim dan parameter persekitarannya untuk kekal sebagai rumah yang sesuai untuk makhluk hidup.

Dari saat kemunculannya, idea ini betul-betul dikritik dan tidak diterima oleh komuniti saintifik, yang tidak menghalangnya, walau bagaimanapun, daripada mengujakan imaginasi dan mengumpulkan ramai penyokong di seluruh dunia. Walaupun berusia seratus tahun, Lovelock kini, seperti kebanyakan hayatnya yang panjang, kekal di bawah api kritikan, terus mempertahankan teori itu, mengubah suai dan merumitkannya, terus bekerja dan terlibat dalam aktiviti saintifik.

Adakah terdapat kehidupan di Marikh

Tetapi sebelum mengalihkan perhatiannya kepada kehidupan di Bumi, James Lovelock sibuk mencari kehidupan di Marikh. Pada tahun 1961, hanya empat tahun selepas USSR melancarkan satelit buatan pertama planet kita ke angkasa, Lovelock telah dijemput untuk bekerja di NASA.

Sebagai sebahagian daripada program Viking, agensi itu merancang untuk menghantar dua probe ke Marikh untuk mengkaji planet itu dan, khususnya, mencari kesan aktiviti penting mikroorganisma di dalam tanahnya. Ia adalah peranti untuk mengesan kehidupan, yang sepatutnya dipasang pada probe, yang dibangunkan oleh saintis itu, bekerja di Pasadena, di Makmal Jet Propulsion, sebuah pusat penyelidikan yang mencipta dan menyelenggara kapal angkasa untuk NASA. Ngomong-ngomong, dia benar-benar bekerja sebelah menyebelah - di pejabat yang sama - dengan ahli astrofizik terkenal dan pempopular sains Karl Sagan.

Kerjanya bukan kejuruteraan semata-mata. Ahli biologi, ahli fizik dan ahli kimia bekerja bersamanya. Ini membolehkannya terjun ke dalam eksperimen untuk mencari jalan untuk mengesan kehidupan dan melihat masalah dari semua pihak.

Akibatnya, Lovelock bertanya kepada dirinya sendiri: "Jika saya sendiri berada di Marikh, bagaimana saya boleh memahami bahawa terdapat kehidupan di Bumi?" Dan dia menjawab: "Menurut suasananya, yang menentang sebarang jangkaan semula jadi."Oksigen bebas membentuk 20 peratus daripada atmosfera planet, manakala undang-undang kimia mengatakan bahawa oksigen ialah gas yang sangat reaktif - dan kesemuanya mesti terikat dalam pelbagai mineral dan batu.

Lovelock membuat kesimpulan bahawa kehidupan - mikrob, tumbuhan dan haiwan, sentiasa memetabolismekan bahan kepada tenaga, menukar cahaya matahari kepada nutrien, membebaskan dan menyerap gas - itulah yang menjadikan atmosfera Bumi seperti apa adanya. Sebaliknya, atmosfera Marikh hampir mati dan dalam keseimbangan tenaga rendah dengan hampir tiada tindak balas kimia.

Pada Januari 1965, Lovelock telah dijemput ke mesyuarat penting mengenai pencarian kehidupan di Marikh. Sebagai persediaan untuk peristiwa penting, saintis membaca buku pendek oleh Erwin Schrödinger "What is Life". Schrödinger yang sama - seorang ahli fizik teori, salah seorang pengasas mekanik kuantum dan pengarang eksperimen pemikiran yang terkenal. Dengan kerja ini, ahli fizik membuat sumbangan kepada biologi. Dua bab terakhir buku ini mengandungi refleksi Schrödinger tentang sifat kehidupan.

Schrödinger meneruskan daripada andaian bahawa organisma hidup dalam proses kewujudan secara berterusan meningkatkan entropinya - atau, dengan kata lain, menghasilkan entropi positif. Beliau memperkenalkan konsep entropi negatif, yang mesti diterima oleh organisma hidup dari dunia sekeliling untuk mengimbangi pertumbuhan entropi positif, yang membawa kepada keseimbangan termodinamik, dan oleh itu kematian. Dalam erti kata yang mudah, entropi ialah huru-hara, pemusnahan diri dan pemusnahan diri. Entropi negatif ialah apa yang badan makan. Menurut Schrödinger, ini adalah salah satu perbezaan utama antara kehidupan dan alam semula jadi. Sistem hidup mesti mengeksport entropi untuk mengekalkan entropinya sendiri rendah.

Buku ini memberi inspirasi kepada Lovelock untuk bertanya: "Bukankah lebih mudah untuk mencari kehidupan di Marikh, mencari entropi rendah sebagai harta planet, daripada menggali regolith untuk mencari organisma Marikh?" Dalam kes ini, analisis atmosfera mudah menggunakan kromatografi gas adalah mencukupi untuk mencari entropi rendah. Oleh itu, saintis mengesyorkan NASA menjimatkan wang dan membatalkan misi Viking.

Ke bintang

James Lovelock dilahirkan pada 26 Julai 1919 di Letchworth, sebuah bandar kecil di Hertfordshire di tenggara England. Bandar ini, yang dibina pada 1903 60 kilometer dari London dan merupakan sebahagian daripada kawasan hijaunya, merupakan penempatan pertama di UK, yang diasaskan mengikut konsep bandar "bandar taman". Pada awal abad yang lalu, ia adalah idea yang menawan banyak negara tentang bandar-bandar besar masa depan, yang akan menggabungkan hartanah terbaik sebuah bandar dan sebuah kampung. James dilahirkan dalam keluarga kelas pekerja, ibu bapanya tidak mempunyai pendidikan, tetapi mereka melakukan segala-galanya untuk anak mereka menerimanya.

Pada tahun 1941, Lovelock lulus dari Universiti Manchester - salah satu universiti terkemuka British dari kalangan "Universiti Bata Merah" yang terkenal. Di sana dia belajar dengan Profesor Alexander Todd, seorang ahli kimia organik Inggeris yang cemerlang, pemenang Hadiah Nobel untuk kajian nukleotida dan asid nukleik.

Pada tahun 1948, Lovelock menerima M. D. dari London Institute of Hygiene and Tropical Medicine. Sepanjang tempoh hidupnya, saintis muda itu terlibat dalam penyelidikan perubatan dan mencipta peranti yang diperlukan untuk eksperimen ini.

Lovelock dibezakan oleh sikap yang sangat berperikemanusiaan terhadap haiwan makmal - sehingga dia bersedia untuk menjalankan eksperimen ke atas dirinya sendiri. Dalam salah satu kajiannya, Lovelock dan saintis lain mencari punca kerosakan pada sel dan tisu hidup semasa radang dingin. Haiwan eksperimen - hamster tempat eksperimen dijalankan - hendaklah dibekukan, dan kemudian dipanaskan dan dihidupkan semula.

Tetapi jika proses pembekuan adalah agak tidak menyakitkan untuk haiwan, maka penyahbekuan mencadangkan bahawa tikus perlu meletakkan sudu panas di dada mereka untuk memanaskan hati mereka dan memaksa darah beredar melalui badan. Ia adalah prosedur yang sangat menyakitkan. Tetapi tidak seperti Lovelock, rakan-rakan biologinya tidak berasa kasihan terhadap tikus makmal.

Kemudian saintis mencipta peranti yang mempunyai hampir semua yang boleh dijangkakan dari ketuhar gelombang mikro biasa - sebenarnya, ini sahaja. Anda boleh meletakkan hamster beku di sana, menetapkan pemasa, dan selepas masa yang ditetapkan dia bangun. Pada suatu hari, kerana ingin tahu, Lovelock memanaskan makan tengah harinya dengan cara yang sama. Bagaimanapun, dia tidak terfikir untuk mendapatkan paten untuk ciptaannya tepat pada masanya.

Pada tahun 1957, Lovelock mencipta pengesan penangkapan elektron, peranti yang luar biasa sensitif yang merevolusikan pengukuran kepekatan ultra-rendah gas di atmosfera dan, khususnya, dalam pengesanan sebatian kimia yang menimbulkan ancaman kepada alam sekitar.

Pada akhir 1950-an, peranti ini digunakan untuk menunjukkan bahawa atmosfera planet ini penuh dengan sisa-sisa daripada racun perosak DDT (dichlorodiphenyltrichloroethane). Racun perosak yang sangat berkesan dan mudah diperoleh ini telah digunakan secara meluas sejak Perang Dunia II. Untuk penemuan sifat uniknya, ahli kimia Switzerland Paul Müller telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Perubatan pada tahun 1948. Anugerah ini dianugerahkan bukan sahaja untuk tanaman yang disimpan, tetapi juga untuk berjuta-juta nyawa yang diselamatkan: DDT telah digunakan semasa perang untuk memerangi malaria dan tifus di kalangan orang awam dan anggota tentera.

Hanya pada penghujung tahun 50-an kehadiran racun perosak berbahaya ditemui hampir di mana-mana di Bumi - daripada hati penguin di Antartika hingga susu ibu ibu yang menyusu di Amerika Syarikat.

Pengesan memberikan data yang tepat untuk buku 1962 "Silent Spring", yang ditulis oleh ahli ekologi Amerika Rachel Carson, yang melancarkan kempen antarabangsa untuk mengharamkan penggunaan DDT. Buku itu berhujah bahawa DDT dan racun perosak lain menyebabkan kanser dan penggunaannya dalam pertanian menimbulkan ancaman kepada hidupan liar, terutamanya burung. Penerbitan itu merupakan peristiwa penting dalam gerakan alam sekitar dan menyebabkan bantahan awam yang meluas, yang akhirnya membawa kepada larangan penggunaan pertanian DDT di Amerika Syarikat dan kemudian di seluruh dunia pada tahun 1972.

Tidak lama kemudian, selepas memulakan kerja di NASA, Lovelock mengembara ke Antartika dan dengan bantuan pengesannya menemui kehadiran klorofluorokarbon di mana-mana - gas tiruan yang kini diketahui akan menipiskan lapisan ozon stratosfera. Kedua-dua penemuan ini amat penting untuk pergerakan alam sekitar planet ini.

Oleh itu, apabila Pentadbiran Aeronautik dan Angkasa Lepas AS merancang misi bulan dan planetnya pada awal 1960-an dan mula mencari seseorang yang boleh mencipta peralatan sensitif yang boleh dihantar ke angkasa, mereka beralih kepada Lovelock. Setelah terpesona dengan fiksyen sains sejak kecil, dia menerima tawaran itu dengan penuh semangat dan, tentu saja, tidak dapat menolak.

Planet hidup dan mati

Bekerja di Makmal Propulsion Jet memberikan Lovelock peluang yang sangat baik untuk menerima bukti pertama sifat Marikh dan Zuhrah yang dihantar melalui probe angkasa. Dan ini, sudah pasti, planet-planet mati sama sekali, sangat berbeza daripada dunia kita yang sedang berkembang dan hidup.

Bumi mempunyai atmosfera yang tidak stabil secara termodinamik. Gas seperti oksigen, metana dan karbon dioksida dihasilkan dalam kuantiti yang banyak tetapi wujud bersama dalam keseimbangan dinamik yang stabil.

Suasana pelik dan tidak stabil yang kita sedut memerlukan sesuatu di permukaan Bumi yang boleh terus mensintesis kuantiti besar gas ini, serta mengeluarkannya dari atmosfera pada masa yang sama. Pada masa yang sama, iklim planet ini agak sensitif terhadap banyaknya gas poliatomik seperti metana dan karbon dioksida.

Lovelock secara beransur-ansur mengembangkan idea tentang peranan pengawalseliaan kitaran bahan tersebut dalam alam semula jadi - dengan analogi dengan proses metabolik dalam badan haiwan. Dan kehidupan duniawi terlibat dalam proses-proses ini, yang, menurut teori Lovelock, bukan sahaja mengambil bahagian di dalamnya, tetapi juga belajar untuk mengekalkan syarat-syarat kewujudan yang diperlukan untuk dirinya sendiri, setelah memasuki beberapa bentuk kerjasama yang saling menguntungkan dengan planet ini.

Dan jika pada mulanya semua ini adalah spekulasi tulen, maka pada tahun 1971 Lovelock mempunyai peluang untuk membincangkan topik ini dengan ahli biologi yang cemerlang Lynn Margulis, pencipta versi moden teori simbiogenesis dan isteri pertama Carl Sagan.

Margulis mengarang bersama hipotesis Gaia. Beliau mencadangkan bahawa mikroorganisma harus memainkan peranan penghubung dalam bidang interaksi antara kehidupan dan planet ini. Seperti yang dinyatakan oleh Lovelock dalam salah satu wawancaranya, "Adalah adil untuk mengatakan bahawa dia meletakkan daging di dalam tulang konsep fisiologi saya tentang planet hidup."

Kerana kebaharuan konsep dan ketidakkonsistenannya dengan sains tradisional, Lovelock memerlukan nama yang pendek dan mudah diingati. Pada masa itu, pada tahun 1969, rakan dan jiran saintis, ahli fizik dan penulis, pemenang Hadiah Nobel, serta pengarang novel Lord of the Flies, William Golding, mencadangkan untuk memanggil idea ini Gaia - sebagai penghormatan kepada dewi Yunani purba Bumi.

Bagaimana ia berfungsi

Menurut konsep Lovelock, evolusi kehidupan, iaitu, keseluruhan semua organisma biologi di planet ini, sangat berkait rapat dengan evolusi persekitaran fizikal mereka pada skala global sehingga bersama-sama mereka membentuk satu sistem pembangunan diri dengan diri sendiri. -sifat kawal selia yang serupa dengan sifat fisiologi organisma hidup.

Kehidupan bukan sahaja menyesuaikan diri dengan planet ini: ia mengubahnya untuk tujuannya sendiri. Evolusi ialah tarian berpasangan di mana segala yang hidup dan tidak bernyawa berputar. Dari tarian ini intipati Gaia muncul.

Lovelock memperkenalkan konsep geofisiologi, yang membayangkan pendekatan sistem kepada sains bumi. Geofisiologi dipersembahkan sebagai sains bumi sintetik yang mengkaji sifat dan perkembangan sistem kamiran, komponen yang berkait rapat ialah biota, atmosfera, lautan dan kerak bumi.

Tugasnya termasuk mencari dan mengkaji mekanisme kawal selia kendiri di peringkat planet. Geofisiologi bertujuan untuk mewujudkan hubungan antara proses kitaran pada peringkat selular-molekul dengan proses yang serupa di peringkat lain yang berkaitan, seperti organisma, ekosistem dan planet secara keseluruhan.

Pada tahun 1971, telah dicadangkan bahawa organisma hidup mampu menghasilkan bahan yang mempunyai kepentingan pengawalseliaan untuk iklim. Ini disahkan apabila, pada tahun 1973, pelepasan dimetil sulfida daripada organisma planktonik yang mati ditemui.

Titisan dimetil sulfida, memasuki atmosfera, berfungsi sebagai nukleus pemeluwapan wap air, menyebabkan pembentukan awan. Ketumpatan dan kawasan litupan awan memberi kesan ketara kepada albedo planet kita - keupayaannya untuk memantulkan sinaran suria.

Pada masa yang sama, jatuh ke tanah bersama-sama dengan hujan, sebatian sulfur ini menggalakkan pertumbuhan tumbuhan, yang seterusnya, mempercepatkan larut lesap batu. Biogen yang terbentuk akibat larut lesap dihanyutkan ke dalam sungai dan akhirnya berakhir di lautan, menggalakkan pertumbuhan alga planktonik.

Kitaran perjalanan dimetil sulfida ditutup. Bagi menyokong ini, didapati pada tahun 1990 bahawa kekeruhan di atas lautan berkorelasi dengan taburan plankton.

Menurut Lovelock, hari ini, apabila atmosfera menjadi terlalu panas akibat aktiviti manusia, mekanisme biogenik pengawalan litupan awan menjadi sangat penting.

Satu lagi elemen pengawalseliaan Gaia ialah karbon dioksida, yang dianggap oleh geofisiologi sebagai gas metabolik utama. Iklim, pertumbuhan tumbuhan dan pengeluaran oksigen atmosfera bebas bergantung kepada kepekatannya. Lebih banyak karbon disimpan, lebih banyak oksigen dibebaskan ke atmosfera.

Dengan mengawal kepekatan karbon dioksida di atmosfera, biota dengan itu mengawal suhu purata planet ini. Pada tahun 1981, telah dicadangkan bahawa pengawalan kendiri sedemikian berlaku melalui peningkatan biogenik proses luluhawa batuan.

Lovelock membandingkan kesukaran untuk memahami proses yang berlaku di planet ini dengan kesukaran untuk memahami ekonomi. Ahli ekonomi abad ke-18 Adam Smith terkenal kerana memperkenalkan konsep "tangan ghaib" ke dalam keilmuan, yang menjadikan kepentingan diri komersial yang tidak terkawal entah bagaimana berfungsi untuk kebaikan bersama.

Ia adalah sama dengan planet ini, kata Lovelock: apabila ia "matang," ia mula mengekalkan keadaan yang sesuai untuk kewujudan kehidupan, dan "tangan yang tidak kelihatan" dapat mengarahkan kepentingan organisma yang berbeza kepada tujuan yang sama untuk mengekalkan syarat-syarat ini.

Darwin lwn Lovelock

Diterbitkan pada tahun 1979, Gaia: A New Look at Life on Earth menjadi buku terlaris. Ia diterima baik oleh ahli alam sekitar, tetapi bukan oleh saintis, yang kebanyakannya menolak idea yang terkandung di dalamnya.

Pengkritik terkenal penciptaan dan reka bentuk pintar, profesor Universiti Oxford dan pengarang The Selfish Gene, Richard Dawkins, mengutuk teori Gaia sebagai bidaah yang "sangat cacat" terhadap prinsip asas pemilihan semula jadi Darwin: "yang paling fit bertahan." Namun, kerana teori Gaia menyatakan bahawa haiwan, tumbuhan dan mikroorganisma bukan sahaja bersaing, tetapi juga bekerjasama untuk mengekalkan alam sekitar.

Apabila teori Gaia mula dibincangkan, ahli biologi Darwin adalah antara penentangnya yang paling sengit. Mereka berhujah bahawa kerjasama yang diperlukan untuk pengawalan kendiri Bumi tidak boleh digabungkan dengan persaingan yang diperlukan untuk pemilihan semula jadi.

Sebagai tambahan kepada intipati, nama itu, yang diambil dari mitologi, juga menimbulkan rasa tidak puas hati. Semua ini kelihatan seperti agama baru, di mana Bumi itu sendiri menjadi subjek pendewaan. Ahli polemik berbakat Richard Dawkins mencabar teori Lovelock dengan tenaga yang sama yang kemudiannya digunakannya berhubung dengan konsep kewujudan Tuhan.

Lovelock terus menafikan kritikan mereka dengan bukti kawal selia kendiri yang dikumpul daripada model penyelidikan dan matematiknya yang menggambarkan cara kawal selia iklim planet berfungsi. Teori Gaia ialah pandangan fisiologi dari atas ke bawah tentang sistem Bumi. Dia melihat Bumi sebagai planet yang responsif secara dinamik dan menerangkan sebab ia sangat berbeza daripada Marikh atau Zuhrah.

Kritikan itu terutamanya berdasarkan tanggapan salah bahawa hipotesis baru itu adalah anti-Darwinian.

"Pemilihan semula jadi memihak kepada penambah, " kata Lovelock. Teorinya hanya memperincikan teori Darwin, membayangkan bahawa alam semula jadi memihak kepada organisma yang meninggalkan persekitaran dalam bentuk yang lebih baik untuk anak-anak untuk terus hidup.

Spesies hidupan yang memberi kesan negatif kepada alam sekitar, menjadikannya kurang sesuai untuk anak cucu dan akhirnya akan diusir dari planet ini - serta spesies yang lebih lemah dan tidak disesuaikan secara evolusi, kata Lovelock.

Copernicus menunggu Newtonnya

Kesimpulannya, mesti dikatakan bahawa konsep saintifik Bumi sebagai sistem hidup yang integral, superorganisma hidup telah dibangunkan oleh saintis dan pemikir naturalistik sejak abad ke-18. Topik ini dibincangkan oleh bapa geologi moden dan geokronologi James Hutton, ahli sains semula jadi yang memberi dunia istilah "biologi" Jean-Baptiste Lamarck, naturalis dan pengembara, salah seorang pengasas geografi sebagai sains bebas, Alexander von Humboldt.

Pada abad XX, idea itu dibangunkan dalam konsep berasaskan saintifik biosfera saintis dan pemikir Rusia dan Soviet yang cemerlang Vladimir Ivanovich Vernadsky. Dalam bahagian saintifik dan teorinya, konsep Gaia adalah serupa dengan "Biosfera". Walau bagaimanapun, pada tahun 70-an abad yang lalu, Lovelock belum biasa dengan karya Vernadsky. Pada masa itu, tiada terjemahan yang berjaya bagi karyanya ke dalam bahasa Inggeris: seperti yang dinyatakan oleh Lovelock, saintis berbahasa Inggeris secara tradisinya "pekak" untuk bekerja dalam bahasa lain.

Lovelock, seperti rakan sekerja lamanya Lynn Margulis, tidak lagi menegaskan bahawa Gaia adalah superorganisma. Hari ini dia menyedari bahawa, dalam banyak cara, istilah "organisma"nya hanyalah metafora yang berguna.

Walau bagaimanapun, konsep "perjuangan untuk terus hidup" Charles Darwin boleh dianggap sebagai metafora dengan alasan yang sama. Pada masa yang sama, ini tidak menghalang teori Darwin daripada menakluk dunia. Metafora seperti ini boleh merangsang pemikiran saintifik, menggerakkan kita lebih jauh di sepanjang jalan pengetahuan.

Hari ini, Hipotesis Gaia telah menjadi dorongan untuk pembangunan versi moden sains organisma sistemik Bumi - geofisiologi. Mungkin, dari masa ke masa, ia akan menjadi sains biosfera sintetik yang pernah diimpikan oleh Vernadsky. Kini ia sedang dalam perjalanan untuk menjadi dan berubah menjadi bidang pengetahuan tradisional yang diiktiraf umum.

Bukan kebetulan bahawa ahli biologi evolusioner British yang terkenal William Hamilton - mentor salah seorang pengkritik teori yang paling terdesak, Richard Dawkins, dan pengarang frasa "gen mementingkan diri sendiri" yang digunakan oleh yang terakhir dalam tajuk bukunya - dipanggil James Lovelock "Copernicus menunggu Newtonnya".