Гипотеза Лавлока. Земля - живой организм

Наша планета уникальна. Подобно тому, как каждый из нас отличается от каменных статуй римских богов, Земля отличается от Марса, Венеры и других известных планет. Расскажем историю одной из, пожалуй, самых удивительных и спорных гипотез современности – гипотезы Геи, предлагающей нам взглянуть на Землю как на живой организм. Прошлым летом отметил свое столетие Джеймс Эфрэйм Лавлок. Ученый, изобретатель, инженер, независимый мыслитель, человек, известный не столько своими изобретениями, сколько удивительным предположением, что Земля – это саморегулирующийся суперорганизм, который на протяжении большей части своей истории, последних трех с лишним миллиардов лет, поддерживал на поверхности благоприятные условия для жизни.

Названная по имени Геи – богини древнегреческой мифологии, олицетворяющей Землю, – гипотеза, в отличие от традиционных наук, предполагает, что глобальная экосистема планеты ведет себя как биологический организм, а не как неодушевленный объект, управляемый геологическими процессами. В противовес традиционным наукам о Земле Лавлок предлагает рассматривать планету не как набор обособленных систем – атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы, – а как единую систему, где каждая ее составляющая, развиваясь и изменяясь, оказывает влияние на развитие других компонентов.

Причем система эта саморегулирующаяся и, подобно живым организмам, имеет механизмы обратной взаимосвязи. В отличие от других известных планет, путем использования обратных взаимосвязей между живым и неживым мирами Земля поддерживает свой климат и параметры среды, чтобы оставаться благоприятным домом для живых существ. С самого момента появления эта идея справедливо подвергалась критике и не была принята научным сообществом, что не мешает ей, однако, будоражить воображение и собирать множество сторонников по всему миру. Несмотря на вековой юбилей, Лавлок сейчас, как и большую часть своей долгой жизни, оставаясь под огнем критики, продолжает отстаивать теорию, модифицирует ее и усложняет, продолжает работать и заниматься научной дея­тель­ностью.

Есть ли жизнь на Марсе

Но прежде чем обратить свое внимание на жизнь на Земле, Джеймс Лавлок был занят поиском жизни на Марсе. В 1961 году, всего через четыре года после того, как СССР запустил в космос первый искусственный спутник нашей планеты, Лавлока пригласили на работу в NASA. В рамках программы «Викинг» агентство планировало отправку к Марсу двух зондов для изучения планеты и, в частности, поиска следов жизнедеятельности микроорганизмов в ее грунте. Именно приборы для обнаружения жизни, которые должны были установить на борту зондов, разрабатывал ученый, работая в Пасадене, в Лаборатории реактивного движения – научно-исследовательском центре, который создает и обслуживает космические аппараты для NASA. К слову, работал он в буквальном смысле бок о бок – в одном кабинете – с известным астрофизиком и популяризатором науки Карлом Саганом.

Его работа не была чисто инженерной. Рядом с ним трудились биологи, физики и химики. Это позволило ему погрузиться с головой в эксперименты по поиску способов обнаружения жизни и посмотреть на проблему со всех сторон. В итоге Лавлок спросил себя: «Если бы я сам был на Марсе, как бы я смог понять, что на Земле есть жизнь?» И ответил: «По ее атмосфере, которая не поддается никаким естественным ожиданиям». Свободный кислород составляет 20 процентов атмосферы планеты, тогда как законы химии говорят, что кислород – высокореактивный газ, – и весь он должен находиться в связанном состоянии в составе различных минералов и пород.

Лавлок пришел к выводу, что жизнь – микробы, растения и животные, постоянно метаболизирующие материю в энергию, превращающие солнечный свет в питательные вещества, выделяющие и поглощающие газ – вот то, что делает атмосферу Земли такой, какая она есть. В отличие от этого, марсианская атмосфера практически мертва и находится в низкоэнергетическом равновесии почти без химических реакций.

В январе 1965 года Лавлока пригласили на решающее совещание по поиску жизни на Марсе. В процессе подготовки к важному мероприятию ученый прочел небольшую книгу Эрвина Шредингера «Что такое жизнь». Того самого Шредингера – физика-теоретика, одного из создателей квантовой механики и автора всем известного мыслительного эксперимента. Этим трудом физик внес вклад и в биологию. Две последние главы книги содержат размышления Шредингера о природе жизни.

Шредингер исходил из того, что живой организм в процессе существования непрерывно увеличивает свою энтропию – или, другими словами, производит положительную энтропию. Он вводит концепцию отрицательной энтропии, которую живые организмы должны получать из окружающего мира, чтобы компенсировать рост положительной энтропии, ведущий к термодинамическому равновесию, а значит, к смерти. В простом понимании энтропия – это хаос, саморазрушение и саморазложение. Отрицательная энтропия – то, чем организм питается. Согласно Шредингеру, в этом и состоит одно из главных отличий жизни от неживой природы. Живая система должна экспортировать энтропию, чтобы поддержать собственную энтропию на низком уровне.

Эта книга вдохновила Лавлока на вопрос: «Разве не будет проще искать жизнь на Марсе, ища низкую энтропию как планетарное свойство, чем зарываться в реголит в поисках марсианских организмов?» В этом случае, чтобы найти низкую энтропию, достаточно провести простой атмосферный анализ с использованием газового хроматографа. Поэтому ученый рекомендовал NASA сэкономить деньги и отменить миссию «Викинг».

К звездам

Джеймс Лавлок родился 26 июля 1919 года в Летчуэрте – небольшом городке в графстве Хартфордшир на юго-востоке Англии. Этот город, построенный в 1903 году в 60 километрах от Лондона и являющийся частью его зеленого пояса, стал первым в Великобритании поселением, основанным в соответствии с градостроительной концепцией «города-сада». В начале прошлого века это была захватившая многие страны идея о мегаполисах будущего, в которых были бы объединены лучшие свойства города и деревни. Джеймс родился в рабочей семье, его родители не имели образования, но они сделали все, чтобы их сын его получил.

В 1941 году Лавлок оканчивает Манчестерский университет – один из ведущих британских вузов из числа знаменитых «Университетов из красного кирпича». Там он учился у профессора Александра Тодда – выдающегося английского химика-органика, лауреата Нобелевской премии за исследования нуклеотидов и нуклеиновых кислот. В 1948 году Лавлок получает диплом доктора медицины в Лондонском институте гигиены и тропической медицины. В этот период своей жизни молодой ученый занимается медицинскими исследованиями и изобретает приборы, необходимые для этих экспериментов.

Лавлок отличался весьма гуманным отношением к лабораторным животным – вплоть до того, что готов был ставить опыты на себе. В одном из своих исследований Лавлок с другими учеными искал причину повреждения живых клеток и тканей при обморожениях. Подопытных животных – хомяков, на которых ставили эксперимент – предстояло заморозить, а затем отогреть и вернуть к жизни. Но если процесс заморозки был сравнительно безболезненным для животных, то разморозка предполагала, что грызунам нужно было приложить раскаленные столовые ложки на грудь, чтобы нагреть их сердце и заставить кровь циркулировать по организму. Это была крайне болезненная процедура. Но, в отличие от Лавлока, его коллеги-биологи не испытывали чувства жалости к лабораторным грызунам.

Тогда ученый изобрел устройство, в котором было почти все, что можно ожидать от обычной микроволновой печи – по сути, это и была она. Туда можно было поместить замороженного хомяка, установить таймер, и через заданное время он просыпался. Однажды ради любопытства таким же образом Лавлок разогрел свой обед. Впрочем, своевременно получить патент на свое изобретение он не догадался. В 1957 году Лавлок изобретает детектор захвата электронов – необычайно чувствительное устройство, которое совершило переворот в области измерения сверхмалых концентраций газов в атмосфере и, в частности, в обнаружении химических соединений, представляющих угрозу для окружающей среды.

В конце 1950-х устройство использовали для демонстрации того, что атмосфера планеты была полна остатков пестицида ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтана). Этот исключительно эффективный и простой в получении пестицид широко распространился после Второй мировой войны. За открытие его уникальных свойств швейцарский химик Пауль Мюллер в 1948 году был удостоен Нобелевской премии по медицине. Награда эта была присуждена не только за сохраненные урожаи, но и за миллионы спасенных человеческих жизней: ДДТ использовался в период войны для борьбы с малярией и сыпным тифом среди гражданского населения и военнослужащих.

Детектор позволил получить точные данные для написания американским экологом Рэйчел Карсон в 1962 году книги «Тихая весна», с которой и началась международная кампания по запрещению использования ДДТ. В книге утверждалось, что ДДТ и другие пестициды вызывают рак и что их использование в сельском хозяйстве представляет угрозу для дикой природы, особенно птиц. Публикация стала знаковым событием в движении за охрану окружающей среды и вызвала широкий общественный резонанс, который в итоге привел в 1972 году к запрету сельскохозяйственного использования ДДТ в Соединенных Штатах, а затем и во всем мире.

Несколько позже, уже после начала работы в NASA, Лавлок отправился в Антарктику и с помощью своего детектора обнаружил повсеместное присутствие хлорфторуглеродов – искусственных газов, которые, как теперь известно, истощают стратосферный озоновый слой. Оба эти открытия были чрезвычайно важны для экологического движения на планете. Поэтому, когда к началу 1960-х американское Управление по аэронавтике и исследованию космического пространства запланировало свои лунные и планетарные миссии и стало искать кого-то, кто был способен создать чувствительное оборудование, которое можно отправить в космос, оно обратились к Лавлоку. Будучи увлеченным фантастикой с детства, он воспринял предложение с энтузиазмом и, конечно, не смог отказаться.

Планеты живые и мертвые

Работа в Лаборатории реактивного движения предоставляла Лавлоку прекрасную возможность получать первые свидетельства о природе Марса и Венеры, передаваемые космическими зондами. И это были, несомненно, совершенно мертвые планеты, разительно отличавшиеся от нашего цветущего и живого мира. Земля обладает атмосферой, которая нестабильна в термодинамическом смысле. Газы, такие как кислород, метан и двуокись углерода, образуются в больших количествах, но сосуществуют в стабильном динамическом равновесии.

Странная и нестабильная атмосфера, которой мы дышим, требует присутствия на поверхности Земли чего-то, что может непрерывно синтезировать огромное количество таких газов, а также одновременно удалять их из атмосферы. В то же время климат планеты довольно чувствителен к изобилию многоатомных газов, например метана и углекислого газа. У Лавлока постепенно складывается представление о регулирующей роли подобных круговоротов веществ в природе – по аналогии с метаболическими процессами в организме животного. И в эти процессы вовлечена земная жизнь, которая, согласно теории Лавлока, не только участвует в них, но и научилась поддерживать необходимые для себя условия существования, вступив с планетой в некую форму взаимовыгодного сотрудничества.

И если поначалу все это было чистым предположением, то в 1971 году у Лавлока появилась возможность обсудить эту тему с выдающимся биологом Линн Маргулис, создательницей современной версии теории симбиогенеза и первой женой Карла Сагана. Маргулис стала соавтором гипотезы Геи. Она высказала мысль, что связующую роль в поле взаимодействия между жизнью и планетой должны играть микроорганизмы. Как отмечал Лавлок в одном из своих интервью: «Было бы справедливо сказать, что она поместила плоть в кости моей физиологической концепции живой планеты». Из-за новизны концепции и ее несоответствия традиционным наукам Лавлок нуждался в кратком и запоминающемся названии. Тогда-то, в 1969 году, друг и сосед ученого, физик и писатель, лауреат Нобелевской премии, а также автор романа «Повелитель мух» Уильям Голдинг предложил назвать эту идею Геей – в честь древнегреческой богини Земли.

Как это работает

Согласно предложенной Лавлоком концепции, эволюция жизни, то есть совокупности всех биологических организмов планеты, настолько тесно связана с эволюцией их физического окружения в масштабе всей Земли, что вместе они образуют единую саморазвивающуюся систему, обладающую саморегуляторными свойствами, подобными физиологическим свойствам живого организма.

Лавлок вводит понятие геофизиологии, подразумевающее системный подход к наукам о Земле. Геофизиология представляется как синтетическая наука о Земле, изучающая свойства и развитие целостной системы, тесно связанными компонентами которой являются биота, атмосфера, океаны и земная кора. В ее задачи входят поиск и изучение механизмов саморегуляции на планетарном уровне. Геофизиология нацелена на установление связей циклических процессов на клеточно-молекулярном уровне с подобными процессами на других связанных уровнях, таких как организм, экосистемы и планета в целом.

В 1971 году было высказано предположение, что живые организмы способны вырабатывать вещества, имеющие регуляторное значение для климата. Оно подтвердилось, когда в 1973 году была обнаружена эмиссия диметилсульфида из отмирающих планктонных организмов. Капельки диметилсульфида, попадая в атмосферу, служат ядрами конденсации водяных паров, вызывая образование облаков. Плотность и площадь облачного покрова существенно влияют на альбедо нашей планеты – ее способность отражать солнечную радиацию.

Одновременно, выпадая на землю вместе с дождем, эти сернистые соединения способствуют росту растений, которые, в свою очередь, ускоряют выщелачивание горных пород. Образующиеся в результате выщелачивания биогены смываются в реки и в конце концов попадают в океаны, способствуя росту планктонных водорослей. Цикл путешествия диметилсульфида замыкается. В подтверждение этого в 1990 году было обнаружено, что облачность над океанами коррелирует с распределением планктона.

Еще один регуляторный элемент Геи – углекислый газ, его геофизиология рассматривает как ключевой метаболический газ. От его концентрации зависят климат, рост растений и производство свободного атмосферного кислорода. Чем больше углерода захоранивается, тем больше в атмосферу освобождается кислорода.

Управляя концентрацией двуокиси углерода в атмосфере, биота тем самым регулирует среднюю температуру планеты. В 1981 году было высказано предположение, что подобная саморегуляция происходит через биогенное усиление процесса выветривания горных пород.

Лавлок сравнивает трудности в понимании процессов, идущих на планете, со сложностями в понимании экономики. Экономист XVIII века Адам Смит получил известность в том числе за введенную в научный оборот концепцию «невидимой руки», которая заставляет безудержный коммерческий личный интерес каким-то образом работать на общее благо. Так же и с планетой, говорит Лавлок: когда она «созрела», она стала поддерживать пригодные для существования жизни условия, а «невидимая рука» смогла направить разрозненные интересы организмов на общее дело поддержания этих условий.

Дарвин против Лавлока

Вышедшая в 1979 году книга «Гея: новый взгляд на жизнь на Земле» стала бестселлером. Ее хорошо приняли защитники окружающей среды, но не ученые, большинство из которых отвергло содержащиеся в ней идеи. Известный критик креационизма и разумного замысла, профессор Оксфордского университета и автор книги «Эгоистичный ген» Ричард Докинз осудил теорию Геи как «глубоко ошибочную» ересь, направленную против основного постулата дарвиновской теории естественного отбора: «выживает самый приспособленный». Еще бы, ведь теория Геи гласит, что животные, растения и микроорганизмы не только конкурируют, но и сотрудничают, чтобы поддерживать окружающую среду.

Когда теорию Геи впервые начали обсуждать, то дарвиновские биологи были одними из ее самых ожесточенных оппонентов. Они утверждали, что сотрудничество, необходимое для саморегуляции Земли, никогда не может сочетаться с конкуренцией, обязательной для естественного отбора. Помимо самой сути, название, взятое из мифологии, тоже вызывало недовольство. Все это было похоже на новую религию, где предметом обожествления стала сама Земля. Талантливый полемист Ричард Докинз оспаривал теорию Лавлока с той энергией, которую он позже использовал в отношении концепции существования Бога.

Лавлок продолжал опровергать их критику доказательствами саморегуляции, собранными в результате своих исследований, и математическими моделями, которые иллюстрировали, как происходит планетарное саморегулирование климата. Теория Геи – это взгляд сверху вниз, физиологический взгляд на систему Земли. Она рассматривает Землю как динамически реагирующую планету и объясняет, почему она так отличается от Марса или Венеры.

Критика главным образом была основана на ошибочном представлении, что новая гипотеза была антидарвиновской. «Естественный отбор благоприятствует улучшителям», – говорил Лавлок. Его теория только детализирует теорию Дарвина, подразумевая то, что природа отдает предпочтение организмам, которые оставляют окружающую среду в лучшей форме для выживания потомства. Те виды живых существ, которые негативным образом влияют на окружающую среду, делают ее менее пригодной для потомства и будут в конце концов изгнаны с планеты – как и более слабые, эволюционно неприспособленные виды, утверждал Лавлок.

Коперник, ожидающий своего Ньютона

Подводя итог, обязательно нужно сказать, что научное представление о Земле как о целостной живой системе, живом суперорганизме развивалось учеными-натуралистами и мыслителями начиная с XVIII века. Этой темы касались отец современной геологии и геохронологии Джеймс Геттон, ученый-естествоиспытатель, давший миру термин «биология» Жан-Батист Ламарк, натуралист и путешественник, один из основателей географии как самостоятельной науки Александр фон Гумбольдт.

В XX веке идея получила развитие в научно обоснованной концепции о биосфере выдающегося русского и советского ученого и мыслителя Владимира Ивановича Вернадского. В своей научно-теоретической части концепция Геи схожа с «Биосферой». Однако в 70-х годах прошлого века Лавлок еще не был знаком с трудами Вернадского. В то время отсутствовали удачные переводы его работ на английский: как выразился Лавлок, англоязычные ученые традиционно «глухи» к работам на других языках.

Лавлок, как и его давняя соратница Линн Маргулис, уже не настаивает, что Гея – именно суперорганизм. Сегодня он признает, что во многих отношениях примененный им термин «организм» – всего лишь полезная метафора. Впрочем, понятие «борьба за выживание» Чарльза Дарвина можно с тем же основанием считать метафорой. В то же время это не помешало дарвиновской теории завоевать мир. Подобные метафоры способны стимулировать научную мысль, продвигая нас все дальше на пути познания.

Сегодня Гипотеза Геи стала импульсом для разработки современного варианта системной организмической науки о Земле – геофизиологии. Возможно, она со временем станет той синтетической биосферной наукой, о создании которой в свое время мечтал Вернадский. Сейчас она находится на пути становления и превращения в традиционную общепризнанную область знания. Неслучайно выдающийся британский биолог-эволюционист Уильям Гамильтон – наставник одного из отчаянных критиков теории Ричарда Докинза и автор фразы «эгоистичный ген», использованной последним в заглавии своей книги – назвал Джеймса Лавлока «Коперником, ожидающим своего Ньютона».

Источник