Jorden är som en levande organism! Hypotesen om vetenskapsmannen James Lovelock

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Vår planet är unik. Precis som var och en av oss skiljer sig från de romerska gudarnas stenstatyer, skiljer sig jorden från Mars, Venus och andra kända planeter. Låt oss berätta historien om en av vår tids kanske mest fantastiska och kontroversiella hypoteser - Gaia-hypotesen, som uppmanar oss att se på jorden som en levande organism.

Jorden är vårt "smarta hem"

James Ephraim Lovelock firade sitt hundraårsjubileum förra sommaren. Forskare, uppfinnare, ingenjör, oberoende tänkare, en person som inte är så mycket känd för sina uppfinningar som för det fantastiska antagandet att jorden är en självreglerande superorganism som under större delen av sin historia, de senaste tre miljarderna åren, har upprätthållit gynnsamma förhållanden för livet på ytan…

Uppkallad efter Gaia - den antika grekiska mytologins gudinna, som personifierar jorden - antyder hypotesen, till skillnad från traditionella vetenskaper, att planetens globala ekosystem beter sig som en biologisk organism och inte som ett livlöst föremål som kontrolleras av geologiska processer.

I motsats till den traditionella geovetenskapen, föreslår Lovelock att betrakta planeten inte som en uppsättning separata system - atmosfären, litosfären, hydrosfären och biosfären - utan som ett enda system, där var och en av dess komponenter, utvecklas och förändras, påverkar utvecklingen av andra komponenter. Dessutom är detta system självreglerande och har, precis som levande organismer, mekanismer för omvänt förhållande. Till skillnad från andra kända planeter, genom användningen av omvända relationer mellan den levande och den livlösa världen, upprätthåller jorden sina klimat- och miljöparametrar för att förbli ett gynnsamt hem för levande varelser.

Från det ögonblick då den dök upp kritiserades denna idé med rätta och accepterades inte av forskarsamhället, vilket dock inte hindrar den från att spännande fantasin och samla många anhängare runt om i världen. Trots hundraårsjubileet fortsätter Lovelock nu, som större delen av sitt långa liv, kvar under kritikens eld, att försvara teorin, modifiera och komplicera den, fortsätter att arbeta och engagera sig i vetenskaplig verksamhet.

Finns det liv på Mars

Men innan han riktade sin uppmärksamhet mot livet på jorden var James Lovelock upptagen med att leta efter liv på Mars. 1961, bara fyra år efter att Sovjetunionen lanserade vår planets första konstgjorda satellit i rymden, blev Lovelock inbjuden att arbeta på NASA.

Som en del av Viking-programmet planerade byrån att skicka två sonder till Mars för att studera planeten och i synnerhet söka efter spår av den vitala aktiviteten hos mikroorganismer i dess jord. Det var enheterna för att upptäcka liv, som var tänkta att installeras ombord på sonderna, som forskaren utvecklade, arbetande i Pasadena, vid Jet Propulsion Laboratory, ett forskningscenter som skapar och underhåller rymdfarkoster för NASA. Förresten arbetade han bokstavligen sida vid sida - på samma kontor - med den berömde astrofysikern och vetenskapens populariserare Karl Sagan.

Hans jobb var inte rent ingenjörskonst. Biologer, fysiker och kemister arbetade tillsammans med honom. Detta gjorde att han kunde dyka huvudstupa in i experiment för att hitta sätt att upptäcka liv och se på problemet från alla håll.

Som ett resultat frågade Lovelock sig själv: "Om jag själv var på Mars, hur skulle jag kunna förstå att det finns liv på jorden?" Och han svarade: "Enligt hennes atmosfär, som trotsar alla naturliga förväntningar."Fritt syre utgör 20 procent av planetens atmosfär, medan kemins lagar säger att syre är en mycket reaktiv gas – och allt måste vara bundet i olika mineraler och stenar.

Lovelock drog slutsatsen att livet - mikrober, växter och djur, ständigt metabolisera materia till energi, omvandla solljus till näringsämnen, släppa ut och absorbera gas - är det som gör jordens atmosfär till vad den är. Däremot är Mars atmosfär praktiskt taget död och i lågenergibalans med nästan inga kemiska reaktioner.

I januari 1965 blev Lovelock inbjuden till ett avgörande möte om sökandet efter liv på Mars. Som förberedelse för en viktig händelse läste vetenskapsmannen en kort bok av Erwin Schrödinger "Vad är liv". Samma Schrödinger - en teoretisk fysiker, en av grundarna av kvantmekaniken och författaren till det välkända tankeexperimentet. Med detta arbete gjorde fysikern ett bidrag till biologin. De två sista kapitlen i boken innehåller Schrödingers reflektioner över livets natur.

Schrödinger utgick från antagandet att en levande organism i tillvaroprocess kontinuerligt ökar sin entropi - eller, med andra ord, producerar positiv entropi. Han introducerar begreppet negativ entropi, som levande organismer måste ta emot från omvärlden för att kompensera för tillväxten av positiv entropi, vilket leder till termodynamisk jämvikt, och därför till döden. I en enkel mening är entropi kaos, självförstörelse och självförstörelse. Negativ entropi är vad kroppen äter. Enligt Schrödinger är detta en av de största skillnaderna mellan liv och livlös natur. Ett levande system måste exportera entropi för att hålla sin egen entropi låg.

Den här boken inspirerade Lovelock att fråga: "Skulle det inte vara lättare att söka efter liv på Mars, leta efter låg entropi som en planetarisk egenskap, än att gräva ner sig i regolit på jakt efter Mars-organismer?" I det här fallet räcker det med en enkel atmosfärisk analys med hjälp av en gaskromatograf för att hitta låg entropi. Därför rekommenderade forskaren NASA att spara pengar och avbryta vikingauppdraget.

Till stjärnorna

James Lovelock föddes den 26 juli 1919 i Letchworth, en liten stad i Hertfordshire i sydöstra England. Denna stad, byggd 1903 60 kilometer från London och är en del av dess gröna bälte, var den första bosättningen i Storbritannien, grundad i enlighet med det urbana konceptet "trädgårdsstaden". I början av förra seklet var det idén som fångade många länder om framtidens megastäder, som skulle kombinera de bästa egenskaperna hos en stad och en by. James föddes i en arbetarfamilj, hans föräldrar hade ingen utbildning, men de gjorde allt för att deras son skulle få den.

1941 tog Lovelock examen från University of Manchester - ett av de ledande brittiska universiteten bland de berömda "Red Brick Universities". Där studerade han hos professor Alexander Todd, en framstående engelsk organisk kemist, Nobelpristagare för studier av nukleotider och nukleinsyror.

1948 fick Lovelock sin doktorsexamen från London Institute of Hygiene and Tropical Medicine. Under denna period av sitt liv är den unge forskaren engagerad i medicinsk forskning och uppfinner de anordningar som är nödvändiga för dessa experiment.

Lovelock kännetecknades av en mycket human inställning till försöksdjur - till den grad att han var redo att utföra experiment på sig själv. I en av hans studier letade Lovelock och andra forskare efter orsaken till skador på levande celler och vävnader under förfrysning. Försöksdjuren – hamstrarna som försöket utfördes på – skulle frysas in, och sedan värmas och väckas till liv igen.

Men om frysningsprocessen var jämförelsevis smärtfri för djur, antydde avfrostning att gnagarna behövde lägga varma matskedar på bröstet för att värma sina hjärtan och tvinga blod att cirkulera genom kroppen. Det var ett extremt smärtsamt ingrepp. Men till skillnad från Lovelock tyckte hans medbiologer inte synd om laboratoriegnagare.

Sedan uppfann forskaren en enhet som hade nästan allt som kan förväntas från en vanlig mikrovågsugn - i själva verket var det det här. Du kunde lägga en frusen hamster där, ställa in en timer och efter en viss tid vaknade han. En dag, av nyfikenhet, värmde Lovelock upp sin lunch på samma sätt. Han tänkte dock inte få patent på sin uppfinning i tid.

1957 uppfann Lovelock elektroninfångningsdetektorn, en utomordentligt känslig enhet som revolutionerade mätningen av ultralåga koncentrationer av gaser i atmosfären och i synnerhet vid upptäckten av kemiska föreningar som utgör ett hot mot miljön.

I slutet av 1950-talet användes enheten för att visa att planetens atmosfär var full av rester från bekämpningsmedlet DDT (diklordifenyltrikloretan). Detta extremt effektiva och lättillgängliga bekämpningsmedel har använts flitigt sedan andra världskriget. För upptäckten av dess unika egenskaper tilldelades den schweiziske kemisten Paul Müller Nobelpriset i medicin 1948. Detta pris delades inte bara ut för de räddade skördarna, utan också för de miljontals liv som räddats: DDT användes under kriget för att bekämpa malaria och tyfus bland civila och militär personal.

Det var först i slutet av 50-talet som närvaron av ett farligt bekämpningsmedel upptäcktes nästan överallt på jorden - från pingvinlever i Antarktis till bröstmjölk från ammande mödrar i USA.

Detektorn gav korrekta data för boken "Silent Spring" från 1962, skriven av den amerikanska ekologen Rachel Carson, som lanserade den internationella kampanjen för att förbjuda användningen av DDT. Boken hävdade att DDT och andra bekämpningsmedel orsakade cancer och att deras användning i jordbruket utgör ett hot mot vilda djur, särskilt fåglar. Publikationen var en landmärkeshändelse inom miljörörelsen och orsakade ett brett offentligt ramaskri, vilket så småningom ledde till förbudet mot jordbruksanvändning av DDT i USA och sedan runt om i världen 1972.

Lite senare, efter att ha börjat arbeta på NASA, reste Lovelock till Antarktis och upptäckte med hjälp av sin detektor den allestädes närvarande förekomsten av klorfluorkolväten - konstgjorda gaser som nu är kända för att bryta ner det stratosfäriska ozonskiktet. Båda dessa upptäckter var oerhört viktiga för planetens miljörörelse.

Så när US Aeronautics and Space Administration planerade sina mån- och planetariska uppdrag i början av 1960-talet och började leta efter någon som kunde skapa känslig utrustning som kunde skickas ut i rymden, vände de sig till Lovelock. Efter att ha varit fascinerad av science fiction sedan barndomen, accepterade han erbjudandet med entusiasm och kunde naturligtvis inte tacka nej.

Levande och döda planeter

Att arbeta på Jet Propulsion Laboratory gav Lovelock ett utmärkt tillfälle att ta emot de första bevisen på Mars och Venus natur som sänds av rymdsonder. Och dessa var utan tvekan helt döda planeter, påfallande annorlunda än vår blomstrande och levande värld.

Jorden har en atmosfär som är termodynamiskt instabil. Gaser som syre, metan och koldioxid produceras i stora mängder men samexisterar i stabil dynamisk jämvikt.

Den märkliga och instabila atmosfären vi andas kräver något på jordens yta som kontinuerligt kan syntetisera enorma mängder av dessa gaser, samt ta bort dem från atmosfären samtidigt. Samtidigt är planetens klimat ganska känsligt för överflöd av polyatomära gaser som metan och koldioxid.

Lovelock utvecklar gradvis en idé om den reglerande rollen för sådana cykler av ämnen i naturen - i analogi med metaboliska processer i ett djurs kropp. Och jordelivet är involverat i dessa processer, som, enligt Lovelocks teori, inte bara deltar i dem, utan också lärt sig att upprätthålla de nödvändiga existensvillkoren för sig själv, efter att ha ingått någon form av ömsesidigt fördelaktigt samarbete med planeten.

Och om allt detta först var rena spekulationer, hade Lovelock 1971 möjlighet att diskutera detta ämne med den enastående biologen Lynn Margulis, skaparen av den moderna versionen av teorin om symbiogenes och Carl Sagans första fru.

Margulis var medförfattare till Gaia-hypotesen. Hon föreslog att mikroorganismer skulle spela en sammanbindande roll inom området för interaktion mellan liv och planeten. Som Lovelock noterade i en av sina intervjuer, "Det skulle vara rättvist att säga att hon satte kött i benen av mitt fysiologiska koncept om en levande planet."

På grund av det nya i konceptet och dess inkonsekvens med traditionella vetenskaper, behövde Lovelock ett kort och minnesvärt namn. Det var då, 1969, en vän och granne till vetenskapsmannen, fysikern och författaren, Nobelpristagaren, samt författaren till romanen Flugornas Herre, William Golding, föreslog att denna idé skulle kallas Gaia - för att hedra antika grekiska gudinnan av jorden.

Hur det fungerar

Enligt Lovelocks koncept är livets utveckling, det vill säga helheten av alla biologiska organismer på planeten, så nära relaterad till utvecklingen av deras fysiska miljö på global skala att de tillsammans bildar ett enda självutvecklande system med jaget -reglerande egenskaper som liknar en levande organisms fysiologiska egenskaper.

Livet anpassar sig inte bara till planeten: det förändrar den för sina egna syften. Evolution är en pardans där allt levande och livlöst snurrar. Ur denna dans kommer essensen av Gaia fram.

Lovelock introducerar begreppet geofysiologi, vilket innebär en systeminställning till geovetenskap. Geofysiologi presenteras som en syntetisk geovetenskap som studerar egenskaperna och utvecklingen av ett integrerat system, vars närbesläktade komponenter är biota, atmosfär, hav och jordskorpan.

Dess uppgifter inkluderar att söka och studera självregleringsmekanismer på planetnivå. Geofysiologi syftar till att etablera kopplingar mellan cykliska processer på cell-molekylär nivå med liknande processer på andra relaterade nivåer, såsom organismen, ekosystemen och planeten som helhet.

1971 föreslogs att levande organismer är kapabla att producera ämnen som har en reglerande betydelse för klimatet. Detta bekräftades när man 1973 upptäckte utsläpp av dimetylsulfid från döende planktoniska organismer.

Dimetylsulfiddroppar, som kommer in i atmosfären, fungerar som kärnor för kondensation av vattenånga, vilket orsakar bildandet av moln. Tätheten och området av molntäcket påverkar avsevärt vår planets albedo - dess förmåga att reflektera solstrålning.

Samtidigt som dessa svavelföreningar faller till marken tillsammans med regnet främjar tillväxten av växter, vilket i sin tur påskyndar urlakning av stenar. De biogener som bildas till följd av urlakning sköljs ut i floder och hamnar så småningom i haven, vilket främjar tillväxten av planktonalger.

Cykeln för dimetylsulfid är sluten. Till stöd för detta fann man 1990 att molnighet över haven korrelerar med utbredningen av plankton.

Enligt Lovelock, idag, när atmosfären är överhettad som ett resultat av mänsklig aktivitet, blir den biogena mekanismen för reglering av molntäcket extremt viktig.

Ett annat reglerande element i Gaia är koldioxid, som geofysiologi betraktar som en viktig metabolisk gas. Klimat, växttillväxt och produktion av fritt atmosfäriskt syre beror på dess koncentration. Ju mer kol som lagras, desto mer syre släpps ut i atmosfären.

Genom att kontrollera koncentrationen av koldioxid i atmosfären reglerar biota därmed planetens medeltemperatur. År 1981 föreslogs att sådan självreglering sker genom biogen förbättring av vittringsprocess för stenar.

Lovelock jämför svårigheten att förstå de processer som sker på planeten med svårigheten att förstå ekonomin. 1700-talsekonomen Adam Smith är mest känd för att ha introducerat begreppet "den osynliga handen" i vetenskapen, vilket gör att ett otyglat kommersiellt egenintresse på något sätt fungerar för det gemensamma bästa.

Det är samma sak med planeten, säger Lovelock: när den "mognade" började den upprätthålla förhållanden som var lämpliga för livets existens, och den "osynliga handen" kunde rikta organismernas olika intressen till den gemensamma orsaken att upprätthålla dessa förhållanden.

Darwin vs Lovelock

Gaia: A New Look at Life on Earth publicerades 1979 och blev en bästsäljare. Det togs emot väl av miljöpartister, men inte av forskare, av vilka de flesta förkastade idéerna den innehöll.

Den välkända kritikern av kreationism och intelligent design, professor vid University of Oxford och författare till The Selfish Gene, Richard Dawkins, fördömde Gaias teori som ett "djupt felaktigt" kätteri mot grundprincipen i det darwinistiska naturliga urvalet: "de starkaste överlever." Ändå för att Gaias teori säger att djur, växter och mikroorganismer inte bara konkurrerar, utan också samarbetar för att upprätthålla miljön.

När Gaias teori först diskuterades var darwinistiska biologer bland hennes hårdaste motståndare. De hävdade att det samarbete som krävs för jordens självreglering aldrig kan kombineras med den konkurrens som krävs för naturligt urval.

Förutom själva essensen orsakade även namnet, hämtat från mytologin, missnöje. Allt detta såg ut som en ny religion, där själva jorden blev föremål för förgudning. Den begåvade polemikern Richard Dawkins utmanade Lovelocks teori med samma energi som han senare använde i förhållande till begreppet Guds existens.

Lovelock fortsatte med att motbevisa deras kritik med bevis på självreglering som samlats in från hans forskning och matematiska modeller som illustrerade hur planetarisk klimatsjälvreglering fungerar. Gaias teori är en top-down, fysiologisk syn på jordsystemet. Hon ser jorden som en dynamiskt känslig planet och förklarar varför den är så olik Mars eller Venus.

Kritiken grundade sig främst på missuppfattningen att den nya hypotesen var anti-darwinistisk.

"Naturligt urval gynnar förstärkare," sa Lovelock. Hans teori beskriver bara Darwins teori, vilket antyder att naturen gynnar organismer som lämnar miljön i bättre form för att avkomma ska överleva.

De arter av levande varelser som negativt påverkar miljön, gör den mindre lämpad för eftervärlden och kommer så småningom att fördrivas från planeten – såväl som svagare, evolutionärt oanpassade arter, hävdade Lovelock.

Copernicus väntar på sin Newton

Sammanfattningsvis måste det sägas att det vetenskapliga konceptet om jorden som ett integrerat levande system, en levande superorganism har utvecklats av naturalistiska vetenskapsmän och tänkare sedan 1700-talet. Detta ämne diskuterades av fadern till modern geologi och geokronologi James Hutton, naturvetare som gav världen termen "biologi" Jean-Baptiste Lamarck, naturforskare och resenär, en av grundarna av geografi som en oberoende vetenskap, Alexander von Humboldt.

Under XX-talet utvecklades idén i ett vetenskapligt grundat koncept om biosfären för den framstående ryska och sovjetiska vetenskapsmannen och tänkaren Vladimir Ivanovich Vernadsky. I sin vetenskapliga och teoretiska del liknar begreppet Gaia "Biosfären". Men på 70-talet av förra seklet var Lovelock ännu inte bekant med Vernadskys verk. På den tiden fanns det inga framgångsrika översättningar av hans arbete till engelska: som Lovelock uttryckte det, engelsktalande vetenskapsmän är traditionellt "döva" för att arbeta på andra språk.

Lovelock, liksom sin långvariga kollega Lynn Margulis, insisterar inte längre på att Gaia är en superorganism. Idag inser han att hans term "organism" på många sätt bara är en användbar metafor.

Charles Darwins begrepp "kamp för överlevnad" kan dock betraktas som en metafor med samma anledning. Samtidigt hindrade detta inte den darwinistiska teorin från att erövra världen. Metaforer som dessa kan stimulera vetenskapligt tänkande, föra oss längre och längre längs kunskapens väg.

Idag har Gaia-hypotesen blivit en drivkraft för utvecklingen av en modern version av jordens systemiska organismvetenskap - geofysiologi. Kanske kommer det med tiden att bli den syntetiska biosfärvetenskap som Vernadsky en gång drömde om att skapa. Nu är det på väg att bli och förvandlas till ett traditionellt, allmänt erkänt kunskapsområde.

Det är ingen slump att den framstående brittiske evolutionsbiologen William Hamilton - mentor till en av de mest desperata kritikerna av teorin, Richard Dawkins, och författaren till frasen "den själviska genen" som används av den senare i titeln på sin bok - kallade James Lovelock "Copernicus väntar på sin Newton".