Гипотеза Геи ( / ˈɡ aɪ . ə / ), также известная как теория Геи , парадигма Геи или принцип Геи , предполагает, что живые организмы взаимодействуют с их неорганическим окружением на Земле , образуя синергетическую и саморегулирующуюся сложную систему , которая помогает поддерживать и увековечивать условия для жизни на планете.
Гипотеза Геи была сформулирована химиком Джеймсом Лавлоком [1] и совместно разработана микробиологом Линн Маргулис в 1970-х годах. [2] Следуя предложению своего соседа, романиста Уильяма Голдинга , Лавлок назвал гипотезу в честь Геи , изначального божества, олицетворявшего Землю в греческой мифологии . В 2006 году Геологическое общество Лондона наградило Лавлока медалью Волластона отчасти за его работу над гипотезой Геи. [3]
Темы, связанные с гипотезой, включают в себя то, как биосфера и эволюция организмов влияют на стабильность глобальной температуры , соленость морской воды , уровень кислорода в атмосфере , поддержание гидросферы жидкой воды и другие экологические переменные, которые влияют на обитаемость Земли .
Гипотеза Геи изначально критиковалась за то, что она является телеологической и противоречит принципам естественного отбора , но более поздние уточнения привели гипотезу Геи в соответствие с идеями из таких областей, как наука о системе Земли , биогеохимия и системная экология . [4] [5] [6] Несмотря на это, гипотеза Геи продолжает вызывать критику, и сегодня многие ученые считают, что она лишь слабо подкреплена или противоречит имеющимся доказательствам. [7] [8] [9] [10]
Гипотезы Геи предполагают, что организмы эволюционируют совместно со своей средой: то есть они «влияют на свою абиотическую среду, а среда, в свою очередь, влияет на биоту посредством дарвиновского процесса ». Лавлок (1995) привел доказательства этого в своей второй книге « Века Геи» , показав эволюцию от мира ранних термоацидофильных и метаногенных бактерий к современной обогащенной кислородом атмосфере , которая поддерживает более сложную жизнь .
Сокращенная версия гипотезы была названа «влиятельной Геей» [11] в статье 2002 года «Направленная эволюция биосферы: биогеохимический отбор или Гея?» Андрея Г. Лапениса, в которой утверждается, что биота влияет на определенные аспекты абиотического мира, например, температуру и атмосферу. Это не работа отдельного человека, а коллектив российских научных исследований, которые были объединены в эту рецензируемую публикацию. В ней утверждается коэволюция жизни и окружающей среды посредством «микросил» [11] и биогеохимических процессов. Примером является то, как деятельность фотосинтезирующих бактерий во времена докембрия полностью изменила атмосферу Земли , сделав ее аэробной, и таким образом поддерживает эволюцию жизни (в частности, эукариотической жизни).
Поскольку на протяжении всего двадцатого века между Россией и остальным миром существовали барьеры, лишь сравнительно недавно первые русские ученые, которые представили концепции, пересекающиеся с парадигмой Геи, стали более известны западному научному сообществу. [11] К этим ученым относятся Петр Алексеевич Кропоткин (1842–1921) (хотя большую часть своей профессиональной жизни он провел за пределами России), Рафаил Васильевич Ризположенский (1862 – ок. 1922 ), Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) и Владимир Александрович Костицын (1886–1963).
Биологи и ученые-геологи обычно рассматривают факторы, которые стабилизируют характеристики периода, как ненаправленное эмерджентное свойство или энтелехию системы; поскольку каждый отдельный вид преследует свои собственные интересы, например, их совместные действия могут иметь уравновешивающие эффекты на изменение окружающей среды. Противники этой точки зрения иногда ссылаются на примеры событий, которые привели к резким изменениям, а не к стабильному равновесию, например, преобразование атмосферы Земли из восстановительной среды в богатую кислородом в конце архейского и начале протерозойского периодов.
Менее принятые версии гипотезы утверждают, что изменения в биосфере происходят посредством координации живых организмов и поддерживают эти условия посредством гомеостаза . В некоторых версиях философии Геи все формы жизни считаются частью единого живого планетарного существа, называемого Геей . С этой точки зрения атмосфера, моря и земная кора являются результатами вмешательств, осуществленных Геей посредством совместно эволюционирующего разнообразия живых организмов.
Парадигма Геи оказала влияние на движение глубинной экологии . [12]
Гипотеза Геи утверждает, что Земля является саморегулирующейся сложной системой, включающей биосферу , атмосферу , гидросферы и педосферу , тесно связанных как развивающаяся система. Гипотеза утверждает, что эта система в целом, называемая Геей, ищет физическую и химическую среду, оптимальную для современной жизни. [13]
Гея развивается посредством кибернетической системы обратной связи , управляемой биотой , что приводит к широкой стабилизации условий обитания в полном гомеостазе. Многие процессы на поверхности Земли, необходимые для условий жизни, зависят от взаимодействия живых форм, особенно микроорганизмов , с неорганическими элементами. Эти процессы устанавливают глобальную систему управления, которая регулирует температуру поверхности Земли , состав атмосферы и соленость океана , приводимую в действие глобальным термодинамическим неравновесным состоянием системы Земли. [14]
Существование планетарного гомеостаза, на который влияют живые формы, наблюдалось ранее в области биогеохимии , и оно также исследуется в других областях, таких как наука о системе Земли . Оригинальность гипотезы Геи основана на оценке того, что такой гомеостатический баланс активно поддерживается с целью поддержания оптимальных условий для жизни, даже когда земные или внешние события угрожают им. [15]
С момента зарождения жизни на Земле энергия, поставляемая Солнцем , увеличилась на 25–30%; [16] однако температура поверхности планеты оставалась в пределах уровня обитаемости, достигая довольно регулярных низких и высоких значений. Лавлок также выдвинул гипотезу, что метаногены производили повышенные уровни метана в ранней атмосфере, создавая ситуацию, похожую на ту, что обнаружена в нефтехимическом смоге, в некоторых отношениях похожую на атмосферу на Титане . [17] Это, как он предполагает, помогло экранировать ультрафиолетовый свет до образования озонового слоя, поддерживая определенную степень гомеостаза. Однако исследование Snowball Earth [18] показало, что «кислородные шоки» и снижение уровня метана привели во время гуронского , стертского и мариноанского / варангерского ледниковых периодов к миру, который почти превратился в сплошной «снежный ком». Эти эпохи свидетельствуют против способности дофанерозойской биосферы полностью саморегулироваться.
Переработка парникового газа CO 2 , описанная ниже, играет решающую роль в поддержании температуры Земли в пределах, пригодных для обитания.
Гипотеза CLAW , вдохновленная гипотезой Геи, предполагает наличие петли обратной связи , которая действует между океаническими экосистемами и климатом Земли . [ 19] Гипотеза конкретно предполагает, что определенный фитопланктон , который производит диметилсульфид , реагирует на изменения климатического воздействия , и что эти реакции приводят к отрицательной обратной связи, которая стабилизирует температуру атмосферы Земли .
В настоящее время рост населения и воздействие человеческой деятельности на окружающую среду, например, увеличение выбросов парниковых газов, может привести к тому, что отрицательные обратные связи в окружающей среде станут положительными . Лавлок заявил, что это может привести к чрезвычайно ускоренному глобальному потеплению , [20] но с тех пор он заявил, что последствия, вероятно, будут происходить медленнее. [21]
В ответ на критику, что гипотеза Геи, по-видимому, требует нереалистичного группового отбора и сотрудничества между организмами, Джеймс Лавлок и Эндрю Уотсон разработали математическую модель Daisyworld , в которой экологическая конкуренция лежит в основе планетарной регуляции температуры. [22]
Daisyworld изучает энергетический бюджет планеты , населенной двумя различными типами растений, черными маргаритками и белыми маргаритками, которые, как предполагается, занимают значительную часть поверхности. Цвет маргариток влияет на альбедо планеты таким образом, что черные маргаритки поглощают больше света и нагревают планету, в то время как белые маргаритки отражают больше света и охлаждают планету. Предполагается, что черные маргаритки лучше растут и размножаются при более низкой температуре, в то время как белые маргаритки, как предполагается, лучше всего развиваются при более высокой температуре. По мере того, как температура приближается к значению, которое нравится белым маргариткам, белые маргаритки размножаются лучше черных, что приводит к большему проценту белой поверхности, и больше отражается солнечного света, что снижает поступление тепла и в конечном итоге охлаждает планету. И наоборот, по мере падения температуры черные маргаритки размножаются лучше белых, поглощая больше солнечного света и нагревая планету. Таким образом, температура будет стремиться к значению, при котором репродуктивные скорости растений равны.
Лавлок и Уотсон показали, что в ограниченном диапазоне условий эта отрицательная обратная связь из-за конкуренции может стабилизировать температуру планеты на уровне, который поддерживает жизнь, если изменится выход энергии Солнца, в то время как планета без жизни будет демонстрировать большие перепады температуры. Процент белых и черных маргариток будет постоянно меняться, чтобы поддерживать температуру на уровне, при котором репродуктивные показатели растений будут равными, что позволит обеим формам жизни процветать.
Было высказано предположение, что результаты были предсказуемы, поскольку Лавлок и Уотсон выбрали примеры, которые давали желаемые ими ответы. [23]
Соленость океана была постоянной и составляла около 3,5% в течение очень долгого времени. [24] Стабильность солености в океанической среде важна, поскольку большинству клеток требуется довольно постоянная соленость, и они обычно не переносят значения выше 5%. Постоянная соленость океана была давней загадкой, поскольку не было известно ни одного процесса, уравновешивающего приток соли из рек. Недавно было высказано предположение [25] , что на соленость также может сильно влиять циркуляция морской воды через горячие базальтовые породы и выход в виде жерл горячей воды на срединно-океанических хребтах . Однако состав морской воды далек от равновесия, и этот факт трудно объяснить без влияния органических процессов. Одно из предлагаемых объяснений заключается в образовании соляных равнин на протяжении всей истории Земли. Предполагается, что они создаются бактериальными колониями, которые фиксируют ионы и тяжелые металлы в процессе своей жизнедеятельности. [24]
В биогеохимических процессах Земли источниками и стоками являются движение элементов. Состав ионов соли в наших океанах и морях: натрий (Na + ), хлор (Cl − ), сульфат (SO 4 2− ), магний (Mg 2+ ), кальций (Ca 2+ ) и калий (K + ). Элементы, которые составляют соленость, нелегко изменяются и являются консервативным свойством морской воды. [24] Существует много механизмов, которые изменяют соленость из формы частиц в растворенную форму и обратно. Рассматривая металлический состав источников железа через многогранную сетку термомагнитного дизайна, движение элементов не только гипотетически помогло бы реструктурировать движение ионов, электронов и тому подобное, но также потенциально и необъяснимо помогло бы в балансировке магнитных тел геомагнитного поля Земли. Известные источники натрия, т. е. соли, когда выветривание, эрозия и растворение горных пород переносятся в реки и откладываются в океанах.
Средиземное море как почка Геи было обнаружено (здесь) Кеннетом Дж. Сю , автором корреспонденции в 2001 году. Сю предполагает, что « высыхание » Средиземного моря является свидетельством функционирующей «почки» Геи. В этом и ранее предложенных случаях регулирование осуществляется движением плит и физикой, а не биологией. Более ранние «функции почек» выполнялись во время « осаждения меловых ( Южная Атлантика ) , юрских ( Мексиканский залив ), пермо-триасовых ( Европа ), девонских ( Канада ) и кембрийских / докембрийских ( Гондвана ) соляных гигантов». [26]
Гипотеза Геи утверждает, что состав атмосферы Земли поддерживается в динамически устойчивом состоянии благодаря присутствию жизни. [27] Состав атмосферы обеспечивает условия, к которым адаптировалась современная жизнь. Все атмосферные газы, кроме инертных газов, присутствующие в атмосфере, либо производятся организмами, либо перерабатываются ими.
Стабильность атмосферы Земли не является следствием химического равновесия . Кислород является реактивным соединением и должен в конечном итоге соединяться с газами и минералами атмосферы и коры Земли. Кислород начал сохраняться в атмосфере в небольших количествах только примерно за 50 миллионов лет до начала Великого события оксигенации . [28] С начала кембрийского периода концентрация кислорода в атмосфере колебалась между 15% и 35% от объема атмосферы. [29] Следов метана (в количестве 100 000 тонн, производимых в год) [30] не должно быть, так как метан горюч в кислородной атмосфере.
Сухой воздух в атмосфере Земли содержит примерно (по объему) 78,09% азота , 20,95% кислорода, 0,93% аргона , 0,039% углекислого газа и небольшое количество других газов, включая метан . Лавлок изначально предполагал, что концентрации кислорода выше примерно 25% увеличат частоту лесных пожаров и возгораний лесов. Однако этот механизм не повысит уровень кислорода, если он станет слишком низким. Если можно показать, что растения сильно перепроизводят O2 , то, возможно, необходим только регулятор лесных пожаров с высоким содержанием кислорода. Недавние исследования по находкам вызванного пожаром угля в угольных мерах каменноугольного и мелового периодов, в геологические периоды, когда O2 превышал 25%, поддержали утверждение Лавлока. [ необходима цитата ]
Ученые Gaia рассматривают участие живых организмов в углеродном цикле как один из сложных процессов, которые поддерживают условия, подходящие для жизни. Единственным значительным естественным источником атмосферного углекислого газа ( CO2 ) является вулканическая активность , в то время как единственным значительным удалением является осаждение карбонатных пород . [31] На осаждение, растворение и фиксацию углерода влияют бактерии и корни растений в почвах, где они улучшают циркуляцию газов, или в коралловых рифах, где карбонат кальция откладывается в виде твердого вещества на морском дне. Карбонат кальция используется живыми организмами для производства углеродистых раковин и ракушек. После смерти раковины живых организмов падают. Некоторые из них попадают на дно мелководных морей, где тепло и давление захоронения и/или силы тектоники плит в конечном итоге превращают их в отложения мела и известняка. Однако большая часть падающих мертвых раковин снова растворяется в океане ниже глубины компенсации углерода.
Одним из таких организмов является Emiliania huxleyi , распространенная кокколитофоридная водоросль , которая может играть роль в образовании облаков . [32] Избыток CO2 компенсируется увеличением количества кокколитофорид, что увеличивает количество CO2, запертого на дне океана. Кокколитофориды, если гипотеза CLAW окажется подтвержденной (см. «Регулирование глобальной температуры поверхности» выше), могли бы помочь увеличить облачный покров, следовательно, контролировать температуру поверхности, помочь охладить всю планету и способствовать выпадению осадков, необходимых для наземных растений. [ требуется ссылка ] В последнее время концентрация CO2 в атмосфере увеличилась, и есть некоторые свидетельства того, что концентрации цветущих океанических водорослей также увеличиваются. [33]
Лишайники и другие организмы ускоряют выветривание горных пород на поверхности, в то время как разложение горных пород также происходит быстрее в почве, благодаря деятельности корней, грибов, бактерий и подземных животных. Таким образом, поток углекислого газа из атмосферы в почву регулируется с помощью живых организмов. Когда уровень CO2 в атмосфере повышается, температура повышается, и растения растут. Этот рост приводит к более высокому потреблению CO2 растениями , которые перерабатывают его в почву, удаляя из атмосферы.
Идея Земли как единого целого, живого существа имеет давнюю традицию. Мифическая Гея была изначальной греческой богиней, олицетворяющей Землю , греческой версией « Матери-природы » (от Ge = Земля и Aia = праиндоевропейская бабушка), или Матери-Земли . Джеймс Лавлок дал это название своей гипотезе по предложению романиста Уильяма Голдинга , который в то время жил в той же деревне, что и Лавлок ( Боуэрчалк , Уилтшир , Великобритания). Совет Голдинга основывался на Gea, альтернативном написании имени греческой богини, которое используется в качестве префикса в геологии, геофизике и геохимии. [34] Позже Голдинг упомянул Гею в своей речи при получении Нобелевской премии .
В восемнадцатом веке, когда геология консолидировалась как современная наука, Джеймс Хаттон утверждал, что геологические и биологические процессы взаимосвязаны. [35] Позже натуралист и исследователь Александр фон Гумбольдт признал коэволюцию живых организмов, климата и земной коры. [35] В двадцатом веке Владимир Вернадский сформулировал теорию развития Земли, которая сейчас является одной из основ экологии. Вернадский был украинским геохимиком и одним из первых ученых, признавших, что кислород, азот и углекислый газ в атмосфере Земли являются результатом биологических процессов. В 1920-х годах он опубликовал работы, в которых утверждал, что живые организмы могут изменять форму планеты так же уверенно, как и любая физическая сила. Вернадский был пионером научных основ наук об окружающей среде. [36] Его провидческие заявления не получили широкого признания на Западе, и несколько десятилетий спустя гипотеза Геи получила такое же первоначальное сопротивление со стороны научного сообщества.
Также на рубеже XX века Альдо Леопольд , пионер в развитии современной экологической этики и движения за сохранение дикой природы , предположил живую Землю в своей биоцентрической или холистической этике в отношении земли.
По крайней мере, не невозможно рассматривать части Земли — почву, горы, реки, атмосферу и т. д. — как органы или части органов скоординированного целого, каждая часть со своей определенной функцией. И если бы мы могли видеть это целое, как целое, в течение большого периода времени, мы могли бы воспринимать не только органы с координированными функциями, но, возможно, также и тот процесс потребления как замены, который в биологии мы называем метаболизмом или ростом. В таком случае мы имели бы все видимые атрибуты живого существа, которые мы не осознаем как таковые, потому что оно слишком велико, а его жизненные процессы слишком медленны.
— Стефан Хардинг, Animate Earth [37]
Другое влияние на гипотезу Геи и экологическое движение в целом оказал побочный эффект космической гонки между Советским Союзом и Соединенными Штатами Америки. В 1960-х годах первые люди в космосе смогли увидеть, как выглядит Земля в целом. Фотография Earthrise, сделанная астронавтом Уильямом Андерсом в 1968 году во время миссии Apollo 8, стала, благодаря эффекту обзора, ранним символом глобального экологического движения. [38]
Лавлок начал формулировать идею саморегулирующейся Земли, контролируемой сообществом живых организмов, в сентябре 1965 года, работая в Лаборатории реактивного движения в Калифорнии над методами обнаружения жизни на Марсе . [39] [40] Первой статьей, в которой упоминалось об этом, была работа «Планетарные атмосферы: композиционные и другие изменения, связанные с наличием жизни» , написанная в соавторстве с CE Giffin. [41] Основная концепция заключалась в том, что жизнь может быть обнаружена в планетарном масштабе по химическому составу атмосферы. Согласно данным, собранным обсерваторией Пик-дю-Миди , такие планеты, как Марс или Венера, имели атмосферы в химическом равновесии . Это различие с земной атмосферой считалось доказательством того, что на этих планетах нет жизни.
Лавлок сформулировал гипотезу Геи в журнальных статьях в 1972 [1] и 1974 годах, [2] за которыми последовала популяризирующая книга 1979 года «Гея: новый взгляд на жизнь на Земле» . Статья в New Scientist от 6 февраля 1975 года, [42] и популярная версия гипотезы в виде книги, опубликованная в 1979 году под названием «Поиск Геи» , начали привлекать научное и критическое внимание.
Лавлок сначала назвал это гипотезой обратной связи Земли, [43] и это был способ объяснить тот факт, что комбинации химических веществ, включая кислород и метан, сохраняются в стабильных концентрациях в атмосфере Земли. Лавлок предложил обнаруживать такие комбинации в атмосферах других планет как относительно надежный и дешевый способ обнаружения жизни.
Позже появились и другие взаимосвязи, такие как то, что морские существа производят серу и йод примерно в тех же количествах, которые требуются наземным существам, и это помогло укрепить эту гипотезу. [44]
В 1971 году микробиолог доктор Линн Маргулис присоединилась к Лавлоку в попытке конкретизировать первоначальную гипотезу в научно обоснованные концепции, внося свои знания о том, как микробы влияют на атмосферу и различные слои на поверхности планеты. [4] Американский биолог также вызвала критику со стороны научного сообщества своей пропагандой теории происхождения эукариотических органелл и своим вкладом в эндосимбиотическую теорию , принятую в настоящее время. Маргулис посвятила последнюю из восьми глав своей книги «Симбиотическая планета » Гайе. Однако она возражала против широко распространенной персонификации Гайи и подчеркивала, что Гайя — это «не организм», а «возникающее свойство взаимодействия между организмами». Она определила Гайю как «серию взаимодействующих экосистем, которые составляют единую огромную экосистему на поверхности Земли. Точка». Самый запоминающийся «лозунг» книги был на самом деле сказан студентом Маргулис.
Джеймс Лавлок назвал свое первое предложение гипотезой Гайи , но также использовал термин теория Гайи . Лавлок утверждает, что первоначальная формулировка была основана на наблюдении, но все еще не имела научного объяснения. Гипотеза Гайи с тех пор была поддержана рядом научных экспериментов [45] и предоставила ряд полезных предсказаний. [46]
В 1985 году в Массачусетском университете в Амхерсте с 1 по 6 августа состоялся первый публичный симпозиум по гипотезе Геи « Является ли Земля живым организмом?» . [47] Главным спонсором выступило Национальное общество Одюбона . Среди докладчиков были Джеймс Лавлок, Линн Маргулис , Джордж Уолд , Мэри Кэтрин Бейтсон , Льюис Томас , Томас Берри , Дэвид Абрам , Джон Тодд , Дональд Майкл, Кристофер Берд , Майкл Коэн и Уильям Филдс. Присутствовало около 500 человек. [48]
В 1988 году климатолог Стивен Шнайдер организовал конференцию Американского геофизического союза . Первая конференция Чепмена по Гайе [4] состоялась в Сан-Диего, Калифорния, 7 марта 1988 года.
В ходе сессии «философских основ» конференции Дэвид Абрам говорил о влиянии метафоры в науке и о гипотезе Геи как о новой и потенциально меняющей правила игры метафорике, в то время как Джеймс Киршнер критиковал гипотезу Геи за ее неточность. Киршнер утверждал, что Лавлок и Маргулис представили не одну гипотезу Геи, а четыре:
Киршнер признавал две альтернативы гомеостатической Гайи. «Слабая Гайя» утверждала, что жизнь стремится сделать окружающую среду стабильной для процветания всей жизни. «Сильная Гайя» по Киршнеру утверждала, что жизнь стремится сделать окружающую среду стабильной, чтобы обеспечить процветание всей жизни. Сильная Гайя, утверждал Киршнер, не поддается проверке и, следовательно, не является научной. [49]
Лавлок и другие ученые, поддерживающие Гею, однако, попытались опровергнуть утверждение, что гипотеза не является научной, поскольку ее невозможно проверить контролируемым экспериментом. Например, против обвинения в том, что Гея была телеологической, Лавлок и Эндрю Уотсон предложили модель Daisyworld (и ее модификации, выше) в качестве доказательства против большинства этих критических замечаний. [22] Лавлок сказал, что модель Daisyworld «демонстрирует, что саморегуляция глобальной среды может возникнуть из конкуренции между типами жизни, изменяющими свою локальную среду различными способами». [50]
Лавлок был осторожен, представляя версию гипотезы Геи, которая не утверждала, что Гея намеренно или сознательно поддерживала сложный баланс в своей среде, необходимый для выживания жизни. Похоже, что утверждение о том, что Гея действует «намеренно», было утверждением в его популярной первоначальной книге и не должно было восприниматься буквально. Это новое утверждение гипотезы Геи было более приемлемым для научного сообщества. Большинство обвинений в телеологизме прекратились после этой конференции. [ необходима цитата ]
Ко времени проведения 2-й конференции Чепмена по гипотезе Геи, состоявшейся в Валенсии, Испания, 23 июня 2000 г. [51] , ситуация существенно изменилась. Вместо обсуждения телеологических взглядов Геи или «типов» гипотез Геи, основное внимание уделялось конкретным механизмам, посредством которых базовый краткосрочный гомеостаз поддерживался в рамках значительных эволюционных долгосрочных структурных изменений.
Главные вопросы были: [52]
В 1997 году Тайлер Волк утверждал, что система Геи почти неизбежно возникает в результате эволюции в направлении далеких от равновесия гомеостатических состояний, которые максимизируют производство энтропии , и Аксель Клейдон (2004) согласился, заявив: «...гомеостатическое поведение может возникнуть из состояния МЭП, связанного с планетарным альбедо»; «...результирующее поведение симбиотической Земли в состоянии МЭП вполне может привести к близкому к гомеостатическому поведению системы Земли в длительных временных масштабах, как утверждает гипотеза Геи». М. Стэйли (2002) аналогичным образом предложил «...альтернативную форму теории Геи, основанную на более традиционных принципах Дарвина... В [этом] новом подходе регулирование окружающей среды является следствием динамики популяции. Роль отбора заключается в том, чтобы благоприятствовать организмам, которые лучше всего адаптированы к преобладающим условиям окружающей среды. Однако окружающая среда не является статичным фоном для эволюции, а находится под сильным влиянием присутствия живых организмов. Результирующий коэволюционирующий динамический процесс в конечном итоге приводит к сближению равновесия и оптимальных условий».
Четвертая международная конференция по гипотезе Геи, спонсируемая Управлением регионального парка Северной Вирджинии и другими, состоялась в октябре 2006 года в кампусе Университета Джорджа Мейсона в Арлингтоне, штат Вирджиния. [53]
Мартин Огл, главный натуралист NVRPA и давний сторонник гипотезы Геи, организовал мероприятие. Линн Маргулис, заслуженный профессор кафедры наук о Земле Массачусетского университета в Амхерсте и давний сторонник гипотезы Геи, была основным докладчиком. Среди многих других докладчиков: Тайлер Волк, содиректор Программы по наукам о Земле и окружающей среде Нью-Йоркского университета; д-р Дональд Эйткен, директор Donald Aitken Associates; д-р Томас Лавджой , президент Центра науки, экономики и окружающей среды Хайнца; Роберт Корелл , старший научный сотрудник Программы атмосферной политики Американского метеорологического общества и известный специалист по этике окружающей среды Дж. Бэрд Калликотт .
После того, как изначально ей уделялось мало внимания со стороны ученых (с 1969 по 1977 год), впоследствии в течение некоторого периода первоначальная гипотеза Геи подвергалась критике со стороны ряда ученых, включая Форда Дулитла , [54] Ричарда Докинза [55] и Стивена Джея Гулда . [4] Лавлок сказал, что, поскольку его гипотеза названа в честь греческой богини и отстаивается многими неучеными, [43] гипотеза Геи была интерпретирована как неоязыческая религия . Многие ученые, в частности, также критиковали подход, принятый в его популярной книге «Гея: новый взгляд на жизнь на Земле», за то, что он телеологический — убеждение в том, что все имеет цель и направлено на достижение цели. Отвечая на эту критику в 1990 году, Лавлок заявил: «Нигде в наших трудах мы не выражаем идею о том, что планетарная саморегуляция имеет цель или подразумевает предвидение или планирование со стороны биоты ».
Стивен Джей Гулд критиковал Гею как «метафору, а не механизм». [56] Он хотел узнать реальные механизмы, с помощью которых достигается саморегулирующийся гомеостаз. В своей защите Геи Дэвид Абрам утверждает, что Гулд упустил из виду тот факт, что «механизм» сам по себе является метафорой — хотя и чрезвычайно распространенной и часто нераспознанной — метафорой, которая заставляет нас рассматривать естественные и живые системы так, как если бы они были машинами, организованными и построенными извне (а не как аутопоэтические или самоорганизующиеся явления). Механические метафоры, по мнению Абрама, заставляют нас упускать из виду активное или агентное качество живых существ, в то время как организменные метафоры гипотезы Геи подчеркивают активное действие как биоты, так и биосферы в целом. [57] Что касается причинности в Гее, Лавлок утверждает, что ни один механизм не несет ответственности, что связи между различными известными механизмами могут никогда не быть познаны, что это принимается в других областях биологии и экологии как нечто само собой разумеющееся, и что особая враждебность сохраняется для его собственной гипотезы по другим причинам. [43]
Помимо прояснения своего языка и понимания того, что подразумевается под формой жизни, сам Лавлок приписывает большую часть критики отсутствию понимания нелинейной математики его критиками и линеаризующей форме жадного редукционизма , в которой все события должны быть немедленно приписаны конкретным причинам до факта. Он также утверждает, что большинство его критиков являются биологами, но что его гипотеза включает эксперименты в областях за пределами биологии, и что некоторые саморегулирующиеся явления могут быть необъяснимы математически. [43]
Лавлок предположил, что глобальные биологические механизмы обратной связи могли развиться путем естественного отбора , заявив, что организмы, которые улучшают свою среду для своего выживания, справляются лучше, чем те, которые наносят ей вред. Однако в начале 1980-х годов У. Форд Дулиттл и Ричард Докинз по отдельности выступили против этого аспекта Геи. Дулиттл утверждал, что ничто в геноме отдельных организмов не может обеспечить механизмы обратной связи, предложенные Лавлоком, и поэтому гипотеза Геи не предлагает правдоподобного механизма и является ненаучной. [54] Докинз тем временем заявил, что для того, чтобы организмы действовали согласованно, потребуются предвидение и планирование, что противоречит современному научному пониманию эволюции. [55] Как и Дулиттл, он также отверг возможность того, что петли обратной связи могут стабилизировать систему.
Маргулис утверждала в 1999 году, что « великое видение Дарвина не было ошибочным, а лишь неполным. Подчеркивая прямую конкуренцию между особями за ресурсы как основной механизм отбора, Дарвин (и особенно его последователи) создали впечатление, что окружающая среда была просто статичной ареной». Она писала, что состав атмосферы, гидросферы и литосферы Земли регулируется вокруг «заданных точек», как при гомеостазе , но эти заданные точки меняются со временем. [58]
Эволюционный биолог У. Д. Гамильтон назвал концепцию Геи коперниковской , добавив, что понадобится еще один Ньютон, чтобы объяснить, как саморегуляция Геи происходит посредством дарвиновского естественного отбора . [34] [ необходим лучший источник ] Совсем недавно Форд Дулитл, развивая свое и Инкпена предложение ITSNTS (It's The Song Not The Singer) [59], предположил, что дифференциальная устойчивость может играть аналогичную роль дифференциальному воспроизводству в эволюции путем естественного отбора, тем самым обеспечивая возможное примирение между теорией естественного отбора и гипотезой Геи. [60]
Гипотеза Геи продолжает широко восприниматься научным сообществом скептически. Например, аргументы как за, так и против нее были изложены в журнале Climatic Change в 2002 и 2003 годах. Важным аргументом против нее являются многочисленные примеры, когда жизнь оказывала пагубное или дестабилизирующее воздействие на окружающую среду, а не действовала по ее регулированию. [7] [8] Несколько недавних книг критиковали гипотезу Геи, выражая взгляды, варьирующиеся от «... гипотеза Геи не имеет однозначной наблюдательной поддержки и имеет значительные теоретические трудности» [61] до «Неловко зависнув между испорченной метафорой, фактом и ложной наукой, я предпочитаю оставить Гею твердо на заднем плане» [9] до «Гипотеза Геи не поддерживается ни эволюционной теорией, ни эмпирическими свидетельствами геологической летописи». [62] Гипотеза CLAW [19] , первоначально предложенная как потенциальный пример прямой обратной связи Геи, впоследствии оказалась менее достоверной, поскольку понимание ядер конденсации облаков улучшилось. [63] В 2009 году была предложена гипотеза Медеи : жизнь оказывает крайне пагубное (биоцидное) воздействие на планетарные условия, что является прямой противоположностью гипотезе Геи. [64]
В 2013 году в своей книге, посвященной оценке гипотезы Геи, рассматривающей современные доказательства из различных соответствующих дисциплин, Тоби Тиррелл пришел к выводу, что: «Я считаю, что Гея — это тупик. Однако ее изучение породило много новых и заставляющих задуматься вопросов. Отвергая Гею, мы можем в то же время оценить оригинальность и широту взглядов Лавлока и признать, что его смелая концепция помогла стимулировать множество новых идей о Земле и отстаивать целостный подход к ее изучению». [65] В другом месте он представляет свой вывод: «Гипотеза Геи не является точной картиной того, как устроен наш мир». [66] Это утверждение следует понимать как относящееся к «сильной» и «умеренной» формам Геи — что биота подчиняется принципу, который работает, чтобы сделать Землю оптимальной (сила 5) или благоприятной для жизни (сила 4), или что она работает как гомеостатический механизм (сила 3). Последняя является «самой слабой» формой Геи, которую отстаивает Лавлок. Тиррелл отвергает это. Однако он считает, что две более слабые формы Геи — Коэволюционная Гея и Влиятельная Гея, которые утверждают, что существуют тесные связи между эволюцией жизни и окружающей средой и что биология влияет на физическую и химическую среду, — обе заслуживают доверия, но что бесполезно использовать термин «Гея» в этом смысле и что эти две формы уже были приняты и объяснены процессами естественного отбора и адаптации. [67]
Как подчеркивают многочисленные критики, не существует правдоподобного механизма, который мог бы управлять эволюцией циклов отрицательной обратной связи, ведущих к планетарной саморегуляции климата. [8] [9] Действительно, многочисленные инциденты в истории Земли (см. гипотезу Медеи ) показали, что Земля и биосфера могут входить в саморазрушительные циклы положительной обратной связи, которые приводят к массовым вымираниям. [68]
Например, оледенения Snowball Earth, по-видимому, возникли в результате развития фотосинтеза в период, когда Солнце было холоднее, чем сейчас. Эти механизмы будут иметь некоторое влияние, но любое понимание ледниково-межледниковых циклов требует изучения изменений орбиты Земли вокруг Солнца, наклона ее оси вращения и «колебания» в этом вращательном движении, которое вызывает периодичность инсоляции Северного полушария, тем самым устанавливая тепловой режим Земли. Включая исследования из областей математики и наук о Земле, области геологии и географии дают представление о причинах ледниковых периодов. Между тем, удаление углекислого газа из атмосферы, наряду с окислением атмосферного метана высвобождающимся кислородом, привело к резкому уменьшению парникового эффекта . [примечание 1] Результирующее расширение полярных ледяных щитов уменьшило общую долю солнечного света, поглощаемого Землей, что привело к неуправляемой положительной обратной связи лед-альбедо, в конечном итоге приведшей к оледенению почти на всей поверхности Земли. [70] Однако вулканические процессы в этом масштабе следует понимать как связанные с давлением, оказываемым на земную кору и высвобождаемым в периоды отступления ледяного покрова. Выход Земли из замороженного состояния, по-видимому, был напрямую связан с высвобождением углекислого газа и метана вулканами, [71] хотя высвобождение метана микробами, запертыми подо льдом, также могло сыграть свою роль. [72] Меньший вклад в потепление мог бы внести тот факт, что покрытие Земли ледяными покровами в значительной степени подавляло фотосинтез и уменьшало удаление углекислого газа из атмосферы за счет выветривания кремнистых пород. Однако при отсутствии тектонической активности состояние снежного кома могло бы сохраняться бесконечно. [73] : 43–68
Геологические события с усиливающимися положительными обратными связями (наряду с некоторым возможным биологическим участием) привели к самому большому массовому вымиранию за всю историю, пермско-триасовому вымиранию около 250 миллионов лет назад. Опережающим событием, по-видимому, были вулканические извержения в Сибирских траппах , холмистом регионе базальтовых потопов в Сибири. Эти извержения высвободили высокие уровни углекислого газа и диоксида серы , которые повысили мировую температуру и подкислили океаны. [74] Оценки повышения уровня углекислого газа широко варьируются: от всего лишь двукратного увеличения до двадцатикратного увеличения. [73] : 69–91 Усиливающиеся обратные связи увеличили потепление до значительно большего, чем можно было бы ожидать только от парникового эффекта углекислого газа: к ним относятся обратная связь альбедо льда, повышенное испарение водяного пара (еще один парниковый газ) в атмосферу, высвобождение метана из-за нагревания залежей гидрата метана , погребенных под вечной мерзлотой и под отложениями континентального шельфа, и увеличение лесных пожаров. [73] : 69–91 Растущий уровень углекислого газа подкислил океаны, что привело к повсеместному вымиранию существ с раковинами из карбоната кальция, гибели моллюсков и ракообразных, таких как крабы и омары, и разрушению коралловых рифов. [75] Их гибель привела к нарушению всей океанической пищевой цепи. [76] Утверждалось, что повышение температуры могло привести к нарушению хемоклина, разделяющего сульфидные глубинные воды от насыщенных кислородом поверхностных вод, что привело к массовому выбросу токсичного сероводорода (вырабатываемого анаэробными бактериями) на поверхность океана и даже в атмосферу, способствуя (в основном вызванному метаном) разрушению озонового слоя [77] и помогая объяснить вымирание наземных животных и растений. [78]
Несмотря на свидетельства многочисленных массовых вымираний, что биосфера не в полной мере способна к саморегуляции, факт остается фактом: отрицательные обратные связи существуют. Как упоминалось выше, несмотря на то, что энергия, вырабатываемая Солнцем, увеличилась на 25–30 % за последние четыре миллиарда лет жизни на Земле, температура поверхности планеты осталась в пределах, пригодных для жизни. Участие живых организмов в циклах кислорода и углерода хорошо известно. Однако, учитывая отсутствие правдоподобного объяснения естественным отбором , посредством которого жизнь на Земле могла бы эволюционировать для регулирования своей абиотической среды, как могли возникнуть такие обратные связи?
Согласно слабому антропному принципу , наше наблюдение таких стабилизирующих петель обратной связи является эффектом отбора наблюдателя. [79] [80] [81] Во всей вселенной только планеты со свойствами Геи могли развить разумные, самосознающие организмы, способные задавать такие вопросы. [73] : 50 Можно представить себе бесчисленное множество миров, где жизнь развивалась с различной биохимией или где миры имели различные геофизические свойства, такие, что в настоящее время миры мертвы из-за неуправляемого парникового эффекта, или же находятся в состоянии постоянного снежного кома, или же из-за того или иного фактора жизнь была подавлена от развития за пределами микробного уровня. [примечание 2]
Если не существует средств для естественного отбора, действующего на уровне биосферы, то, по-видимому, антропный принцип дает единственное объяснение выживанию биосферы Земли в течение геологического времени. Но в последние годы этот строго редукционистский взгляд был изменен признанием того, что естественный отбор может действовать на нескольких уровнях биологической иерархии — не только на уровне отдельных организмов. [82] Традиционный дарвиновский естественный отбор требует воспроизводства сущностей, которые демонстрируют наследуемые свойства или способности, которые приводят к тому, что у них больше потомства, чем у их конкурентов. Успешные биосферы явно не могут воспроизводиться, чтобы порождать копии самих себя, и поэтому традиционный дарвиновский естественный отбор не может работать. Механизм отбора на уровне биосферы был предложен Фордом Дулитлом: хотя он был сильным и ранним критиком гипотезы Геи, [54] к 2015 году он начал думать о способах, посредством которых Гея могла бы быть «дарвинизирована», ища средства, посредством которых планета могла бы развить адаптации на уровне биосферы. Дулиттл предположил, что дифференциальная устойчивость — простое выживание — может считаться законным механизмом естественного отбора. Поскольку Земля проходит через различные испытания, явление дифференциальной устойчивости позволяет выбранным сущностям достигать фиксации, переживая смерть своих конкурентов. Хотя биосфера Земли не конкурирует с другими биосферами на других планетах, на этой планете есть много конкурентов за выживание. В совокупности Гайя представляет собой единую кладу всех живых выживших, произошедших от последнего универсального общего предка жизни (LUCA). [81] Различные другие предложения по отбору на уровне биосферы включают последовательный отбор, энтропийную иерархию [83] и рассмотрение Гайи как холобионтоподобной системы. [84] В конечном счете, дифференциальная устойчивость и последовательный отбор являются вариантами антропного принципа [83] , в то время как аргументы энтропийной иерархии и холобионта, возможно, позволят понять возникновение Гайи без антропных аргументов. [83] [84]
