Гипотеза Геи ( / ˈ ɡ aɪ . ə / ), также известная как теория Геи , парадигма Геи или принцип Геи , предполагает, что живые организмы взаимодействуют со своим неорганическим окружением на Земле, образуя синергетическую и саморегулирующуюся сложную систему. это помогает поддерживать и сохранять условия для жизни на планете.
Гипотеза Геи была сформулирована химиком Джеймсом Лавлоком [1] и разработана совместно с микробиологом Линн Маргулис в 1970-х годах. [2] Следуя предложению своего соседа, писателя Уильяма Голдинга , Лавлок назвал гипотезу в честь Геи , изначального божества, которое олицетворяло Землю в греческой мифологии . В 2006 году Лондонское геологическое общество наградило Лавлока медалью Волластона частично за его работу над гипотезой Геи. [3]
Темы, связанные с гипотезой, включают то, как биосфера и эволюция организмов влияют на стабильность глобальной температуры , соленость морской воды , уровень кислорода в атмосфере , поддержание гидросферы из жидкой воды и другие переменные окружающей среды, которые влияют на обитаемость Земли .
Гипотезу Геи первоначально критиковали за ее телеологичность и противоречие принципам естественного отбора , но более поздние уточнения привели ее 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 учёные считают, что она слабо подкреплена имеющимися доказательствами или противоречит им. [7] [8] [9] [10]
Гипотезы Геи предполагают, что организмы эволюционируют совместно с окружающей средой: то есть они «влияют на свою абиотическую среду, а эта среда, в свою очередь, влияет на биоту посредством дарвиновского процесса ». Лавлок (1995) привел доказательства этого в своей второй книге « Веки Геи» , показав эволюцию от мира ранних термоацидофильных и метаногенных бактерий к сегодняшней обогащенной кислородом атмосфере , которая поддерживает более сложную жизнь .
Уменьшенная версия гипотезы была названа «влиятельной Гайей» [11] в статье 2002 года «Направленная эволюция биосферы: биогеохимический отбор или Гайя?» автор Андрей Г. Лапенис, который утверждает, что биота влияет на определенные аспекты абиотического мира, например, температуру и атмосферу. Это не работа отдельного человека, а коллектива российских научных исследований, объединенных в данное рецензируемое издание. Он утверждает коэволюцию жизни и окружающей среды посредством «микросил» [11] и биогеохимических процессов. Примером может служить то, как деятельность фотосинтезирующих бактерий в докембрийские времена полностью изменила атмосферу Земли , сделав ее аэробной и тем самым поддерживая эволюцию жизни (в частности, эукариотической жизни).
Поскольку на протяжении всего двадцатого века между Россией и остальным миром существовали барьеры, лишь сравнительно недавно первые российские учёные, представившие концепции, пересекающиеся с парадигмой Геи, стали более известны западному научному сообществу. [11] В число этих ученых входят 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-землеведы обычно рассматривают факторы, стабилизирующие характеристики периода, как ненаправленное эмерджентное свойство или энтелехию системы; например, поскольку каждый отдельный вид преследует свои собственные интересы, их совместные действия могут иметь уравновешивающее воздействие на изменение окружающей среды. Противники этой точки зрения иногда ссылаются на примеры событий, которые привели к резким изменениям, а не к устойчивому равновесию, например, превращение атмосферы Земли из восстановительной среды в богатую кислородом в конце архейского и начале протерозойского периодов. .
Менее общепринятые версии гипотезы утверждают, что изменения в биосфере происходят посредством координации живых организмов и поддержания этих условий посредством гомеостаза . В некоторых версиях философии Геи все формы жизни считаются частью одного живого планетарного существа, называемого Гайя . С этой точки зрения атмосфера, моря и земная кора будут результатом вмешательства Гайи посредством одновременно развивающегося разнообразия живых организмов.
Парадигма Геи оказала влияние на движение за глубокую экологию . [12]
Гипотеза Геи утверждает, что Земля представляет собой саморегулирующуюся сложную систему, включающую биосферу , атмосферу , гидросферу и педосферу , тесно связанные как развивающуюся систему. Гипотеза утверждает, что эта система в целом, называемая Гея, 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 создают глобальную систему контроля, которая регулирует температуру поверхности Земли , состав атмосферы и соленость океана , основанную на глобальном термодинамическом неравновесном состоянии системы Земли. [14]
Существование планетарного гомеостаза под влиянием живых форм наблюдалось ранее в области биогеохимии и исследуется также в других областях, таких как наука о системе Земли . Оригинальность гипотезы Геи основана на оценке того, что такой гомеостатический баланс активно достигается с целью сохранения оптимальных условий для жизни, даже когда им угрожают земные или внешние события. [15]
С тех пор, как на Земле зародилась жизнь, количество энергии, обеспечиваемой Солнцем, увеличилось на 25–30 %; [16] однако температура поверхности планеты осталась в пределах уровня обитаемости, достигая вполне регулярных низких и высоких пределов. Лавлок также предположил, что метаногены производили повышенные уровни метана в ранней атмосфере, создавая ситуацию, аналогичную той, которая наблюдается в нефтехимическом смоге, в некоторых отношениях схожую с атмосферой Титана . [17] Это, по его мнению, помогло экранировать ультрафиолетовый свет до образования озонового слоя, поддерживая определенный гомеостаз. Однако исследование Земли-снежка [18] показало, что «кислородные шоки» и снижение уровня метана привели во время ледниковых периодов Гурон , Стурт и Марино / Варангер к тому, что мир почти превратился в сплошной «снежный ком». Эти эпохи свидетельствуют против способности дофанерозойской биосферы к полной саморегуляции.
Переработка парникового газа CO 2 , описанная ниже, играет решающую роль в поддержании температуры Земли в пределах пригодности для жизни.
Гипотеза CLAW , вдохновленная гипотезой Геи, предполагает петлю обратной связи , которая действует между экосистемами океана и климатом Земли . [19] Гипотеза конкретно предполагает, что конкретный фитопланктон , производящий диметилсульфид, реагирует на изменения климата , и что эти реакции приводят к возникновению петли отрицательной обратной связи , которая стабилизирует температуру атмосферы Земли .
В настоящее время рост численности населения и воздействие их деятельности на окружающую среду, например, увеличение выбросов парниковых газов, могут 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 проявляться более медленно. [21]
В ответ на критику о том, 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 регулирования планетарной температуры. [22]
Daisyworld исследует энергетический баланс планеты , населенной двумя разными типами растений: черными маргаритками и белыми маргаритками, которые, как предполагается, занимают значительную часть поверхности. Цвет маргариток влияет на альбедо планеты: черные маргаритки поглощают больше света и согревают планету, а белые отражают больше света и охлаждают планету. Предполагается, что черные маргаритки лучше всего растут и размножаются при более низкой температуре, а белые маргаритки лучше всего растут при более высокой температуре. Когда температура приближается к значению, которое нравится белым маргариткам, белые маргаритки превосходят черные, что приводит к увеличению процента белой поверхности и отражению большего количества солнечного света, что снижает поступление тепла и в конечном итоге охлаждает планету. И наоборот, когда температура падает, черные маргаритки превосходят белые, поглощая больше солнечного света и согревая планету. Таким образом, температура приблизится к значению, при котором скорость размножения растений будет одинаковой.
Лавлок и Уотсон показали, что в ограниченном диапазоне условий эта отрицательная обратная связь , возникающая из-за конкуренции, может стабилизировать температуру планеты на уровне, который поддерживает жизнь, если изменится выход энергии Солнца, в то время как на планете без жизни будут наблюдаться значительные изменения температуры. . Процент белых и черных маргариток будет постоянно меняться, чтобы поддерживать температуру на уровне, при котором скорость размножения растений одинакова, что позволяет обеим формам жизни процветать.
Было высказано предположение, что результаты были предсказуемыми, поскольку Лавлок и Уотсон выбрали примеры, которые дали желаемые ответы. [23]
Соленость океана в течение очень долгого времени оставалась постоянной на уровне около 3,5%. [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 долгое время оставалась загадкой, поскольку не было известно ни о каком процессе, уравновешивающем приток соли из рек. Недавно было высказано предположение [25] , что на соленость также может сильно влиять циркуляция морской воды через горячие базальтовые породы и появление источников горячей воды на срединно-океанических хребтах . Однако состав морской воды далек от равновесного, и этот факт трудно объяснить без влияния органических процессов. Одно из предполагаемых объяснений заключается в формировании соляных равнин на протяжении всей истории Земли. Предполагается, что они создаются колониями бактерий, которые фиксируют ионы и тяжелые металлы в процессе своей жизнедеятельности. [24]
В биогеохимических процессах Земли источниками и стоками являются движение элементов. В состав ионов солей в наших океанах и морях входят: натрий (Na + ), хлор (Cl- ) , сульфат (SO 4 2- ), магний (Mg 2+ ), кальций (Ca 2+ ) и калий (K + ). Элементы, составляющие соленость, не изменяются легко и являются консервативным свойством морской воды. [24] Существует множество механизмов, которые изменяют соленость из твердой формы в растворенную форму и обратно. Учитывая металлический состав источников железа в многогранной сетке термомагнитной конструкции, движение элементов гипотетически не только поможет реструктурировать движение ионов, электронов и т.п., но также потенциально и необъяснимым образом поможет сбалансировать магнитные тела Геомагнитное поле Земли. Известные источники натрия, т.е. солей, возникают при выветривании, эрозии и растворении горных пород, переносимых в реки и отложившихся в океанах.
Средиземное море как почка Геи обнаружено (здесь) Кеннетом Дж. Сюем , автором переписки в 2001 году. Сюй предполагает, что « высыхание » Средиземного моря является свидетельством функционирующей «почки» Гайи. В этом и ранее предложенных случаях регулирование осуществляют движения плит и физика, а не биология. Ранее « функции почек» выполнялись при « отложении меловых ( Южная Атлантика ), юрских ( Мексиканский залив ), пермо-триасовых ( Европа ), девонских ( Канада ) и кембрийских / докембрийских ( Гондвана ) соляных гигантов». [26]
Теорема Геи утверждает, что состав атмосферы Земли поддерживается в динамически устойчивом состоянии благодаря наличию жизни. [27] Состав атмосферы обеспечивает условия, к которым адаптировалась современная жизнь. Все атмосферные газы, кроме благородных газов, присутствующие в атмосфере, либо производятся организмами, либо перерабатываются ими.
Устойчивость атмосферы на Земле не является следствием химического равновесия . Кислород является химически активным соединением и должен в конечном итоге соединиться с газами и минералами земной атмосферы и коры. Кислород начал сохраняться в атмосфере в небольших количествах только примерно за 50 миллионов лет до начала Великого оксигенационного события . [28] С начала кембрийского периода концентрация кислорода в атмосфере колебалась от 15% до 35% атмосферного объема. [29] Следы метана (при объеме производства 100 000 тонн в год) [30] не должны существовать, поскольку метан горюч в кислородной атмосфере.
Сухой воздух в атмосфере Земли содержит примерно (по объёму) 78,09% азота , 20,95% кислорода, 0,93% аргона , 0,039% углекислого газа и небольшое количество других газов, включая метан . Первоначально Лавлок предположил, что концентрация кислорода выше 25% приведет к увеличению частоты лесных пожаров и возгораний лесов. Однако этот механизм не повысит уровень кислорода, если он станет слишком низким. Если можно доказать, что растения сильно перепроизводят O 2 , тогда, возможно, потребуется только регулятор лесных пожаров с высоким содержанием кислорода. Недавняя работа по обнаружению древесного угля, вызванного пожарами, в каменноугольном и меловом периодах, в геологические периоды, когда содержание O 2 действительно превышало 25%, подтвердило утверждение Лавлока. [ нужна цитата ]
Ученые Гайи рассматривают участие живых организмов в углеродном цикле как один из сложных процессов, поддерживающих условия, пригодные для жизни. Единственным значительным естественным источником атмосферного углекислого газа ( CO 2 ) является вулканическая деятельность , а единственным значительным источником его удаления является осаждение карбонатных пород . [31] На осаждение, растворение и фиксацию углерода влияют бактерии и корни растений в почвах, где они улучшают циркуляцию газов, или на коралловых рифах, где карбонат кальция откладывается в виде твердого вещества на морском дне. Карбонат кальция используется живыми организмами для изготовления углеродистых раковин и раковин. После смерти оболочки живых организмов падают. Некоторые достигают дна мелководных морей, где жара и давление погребения 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 , многочисленная кокколитофорная водоросль , которая может играть роль в формировании облаков . [32] Избыток CO 2 компенсируется увеличением жизни кокколитофорид, увеличивая количество CO 2, запертого на дне океана. Кокколитофориды, если гипотеза CLAW окажется поддержанной (см. «Регулирование глобальной приземной температуры» выше), могут помочь увеличить облачный покров и, следовательно, контролировать температуру поверхности, помочь охладить всю планету и способствовать выпадению осадков, необходимых для наземных растений. [ нужна цитация ] В последнее время концентрация CO 2 в атмосфере увеличилась, и есть некоторые свидетельства того, что концентрации цветения океанских водорослей также увеличиваются. [33]
Лишайники и другие организмы ускоряют выветривание горных пород на поверхности, в то время как разложение горных пород происходит быстрее и в почве благодаря деятельности корней, грибов, бактерий и подземных животных. Поэтому поток углекислого газа из атмосферы в почву регулируется с помощью живых организмов. Когда уровень CO 2 в атмосфере повышается, температура увеличивается и растения растут. Этот рост приводит к увеличению потребления CO 2 растениями, которые перерабатывают его в почву, удаляя из атмосферы.
Представление о Земле как о едином целом, о живом существе имеет давнюю традицию. Мифическая Гея была изначальной греческой богиней, олицетворяющей Землю , греческой версией « Матери-природы » (от Ge = Земля и Aia = бабушка ПИРОГ ), или Матери-Земли . Джеймс Лавлок дал это название своей гипотезе по предложению романиста Уильяма Голдинга , жившего в то время в той же деревне, что и Лавлок ( Бауэрчалк , Уилтшир , Великобритания). Совет Голдинга был основан на Гее, альтернативном написании имени греческой богини, которое используется в качестве префикса в геологии, геофизике и геохимии. [34] Позже Голдинг упомянул Гею в своей речи на вручении Нобелевской премии .
В восемнадцатом веке, когда геология стала современной наукой, 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 ХХ веке Владимир Вернадский сформулировал теорию развития Земли, которая сейчас является одной из основ экологии. Вернадский был украинским геохимиком и одним из первых ученых, осознавших, что кислород, азот и углекислый газ в атмосфере Земли являются результатом биологических процессов. В 1920-х годах он опубликовал работы, в которых доказывал, что живые организмы могут изменить форму планеты так же уверенно, как и любая физическая сила. Вернадский был пионером научных основ наук об окружающей среде. [36] Его дальновидные заявления не получили широкого признания на Западе, и несколько десятилетий спустя гипотеза Геи встретила такое же первоначальное сопротивление со стороны научного сообщества.
Также на рубеже 20-го века Альдо Леопольд , пионер в развитии современной экологической этики и в движении за сохранение дикой природы , предложил живую Землю в своей биоцентрической или целостной этике в отношении земли.
По крайней мере, можно рассматривать части Земли — почву, горы, реки, атмосферу и т. д. — как органы или части органов согласованного целого, причем каждая часть имеет свою определенную функцию. И если бы мы могли увидеть это целое в целом в течение большого периода времени, мы могли бы воспринимать не только органы с координированными функциями, но, возможно, и тот процесс потребления как замещения, который в биологии мы называем метаболизмом или ростом. В таком случае у нас были бы все видимые признаки живого существа, которые мы не осознаем как таковые, потому что оно слишком велико, а его жизненные процессы слишком медленны.
- Стефан Хардинг, Animate Earth [37]
Еще одно влияние на гипотезу Геи и экологическое движение в целом стало побочным эффектом космической гонки между Советским Союзом и Соединенными Штатами Америки. В 1960-е годы первые люди в космосе смогли увидеть, как выглядит Земля в целом. Фотография «Восход Земли» , сделанная астронавтом Уильямом Андерсом в 1968 году во время миссии «Аполлон-8» , благодаря эффекту обзора стала ранним символом глобального экологического движения. [38]
Лавлок начал формулировать идею саморегулирующейся Земли, контролируемой сообществом живых организмов, в сентябре 1965 года, когда работал в Лаборатории реактивного движения в Калифорнии над методами обнаружения жизни на Марсе . [39] [40] Первой статьей, в которой об этом упоминалось, была « Планетарные атмосферы: состав и другие изменения, связанные с присутствием жизни» , написанная в соавторстве с К.Э. Гиффином. [41] Основная концепция заключалась в том, что жизнь можно обнаружить в планетарном масштабе по химическому составу атмосферы. Согласно данным, собранным обсерваторией Пик-дю-Миди , такие планеты, как Марс или Венера, имели атмосферу в химическом равновесии . Это отличие от земной атмосферы считалось доказательством отсутствия жизни на этих планетах.
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 журнале New Scientist от 6 февраля 1975 года [42] и популярная книжная версия гипотезы, опубликованная в 1979 году под названием « В поисках Геи» , начали привлекать научное и критическое внимание.
Лавлок сначала назвал это гипотезой обратной связи с Землей [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 морские существа, производящие серу и йод примерно в тех же количествах, которые необходимы наземным существам, что помогло подтвердить гипотезу. [44]
В 1971 году микробиолог доктор Линн Маргулис присоединилась к Лавлоку в попытке воплотить первоначальную гипотезу в научно доказанные концепции, поделившись своими знаниями о том, как микробы влияют на атмосферу и различные слои поверхности планеты. [4] Американский биолог также вызвала критику со стороны научного сообщества своей защитой теории происхождения эукариотических органелл и своим вкладом в теорию эндосимбиоза , принятую в настоящее время. Маргулис посвятила Гее последнюю из восьми глав своей книги « Симбиотическая планета» . Однако она возражала против широко распространенной персонификации Геи и подчеркивала, что Гея — это «не организм», а «эмерджентное свойство взаимодействия между организмами». Она определила Гайю как «серию взаимодействующих экосистем, которые составляют единую огромную экосистему на поверхности Земли. Точка». Самый запоминающийся «слоган» книги на самом деле пошутил ученик Маргулиса.
Джеймс Лавлок назвал свое первое предложение « гипотезой Геи» , но также использовал термин «теория Геи» . Лавлок утверждает, что первоначальная формулировка была основана на наблюдениях, но ей все еще не хватало научного объяснения. Гипотеза Геи с тех пор была подтверждена рядом научных экспериментов [45] и предоставила ряд полезных предсказаний. [46]
В 1985 году состоялся первый публичный симпозиум по гипотезе Геи « Является ли Земля живым организмом?» проходил в Массачусетском университете в Амхерсте с 1 по 6 августа. [47] Основным спонсором было Национальное общество Одюбона . Среди выступавших 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.
Во время сессии конференции «Философские основы» Дэвид Абрам говорил о влиянии метафоры в науке и о гипотезе Геи как предлагающей новую и потенциально меняющую правила игры метафорику, в то время как Джеймс Киршнер раскритиковал гипотезу Геи за ее неточность. Киршнер утверждал, что Лавлок и Маргулис представили не одну гипотезу Геи, а четыре:
Что касается гомеостатической Гайи, Киршнер видел две альтернативы. «Слабая Гея» утверждала, что жизнь стремится сделать окружающую среду стабильной для процветания всей жизни. «Сильная Гея», по мнению Киршнера, утверждала, что жизнь стремится сделать окружающую среду стабильной, чтобы обеспечить процветание всей жизни. Сильная Гея, утверждал Киршнер, не поддается проверке и, следовательно, ненаучна. [49]
Лавлок и другие ученые, поддерживающие Гею, однако, попытались опровергнуть утверждение о том, что гипотеза не является научной, поскольку ее невозможно проверить с помощью контролируемого эксперимента. Например, в ответ на обвинение в телеологичности Геи Лавлок и Эндрю Уотсон предложили модель Маргаритного мира (и ее модификации, описанные выше) в качестве доказательства против большинства этих критических замечаний. [22] Лавлок сказал, что модель Daisyworld «демонстрирует, что саморегуляция глобальной окружающей среды может возникнуть в результате конкуренции между типами жизни, по-разному меняющими их локальную среду». [50]
Лавлок был осторожен и представил версию гипотезы Геи, в которой не утверждалось, что Гайя намеренно или сознательно поддерживала сложный баланс в своей среде, необходимый жизни для выживания. Похоже, что утверждение о том, что Гея действует «намеренно», было утверждением в его популярной первой книге и не должно восприниматься буквально. Это новое утверждение гипотезы Геи оказалось более приемлемым для научного сообщества. После этой конференции большинство обвинений в телеологизме прекратилось. [ нужна цитата ]
Ко времени проведения 2-й Чепменовской конференции 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, с помощью которых базовый краткосрочный гомеостаз поддерживался в рамках значительных эволюционных долгосрочных структурных изменений.
Основными вопросами были: [52]
В 1997 году Тайлер Волк утверждал, что система Гайи почти неизбежно возникает в результате эволюции в сторону далеких от равновесия гомеостатических состояний, которые максимизируют производство энтропии , и Аксель Клейдон (2004) согласился, заявив: «...может возникнуть гомеостатическое поведение. из состояния МВП, связанного с планетарным альбедо»; «...результирующее поведение симбиотической Земли в состоянии MEP вполне может привести к почти гомеостатическому поведению земной системы в длительных временных масштабах, как утверждает гипотеза Геи». М. Стейли (2002) аналогичным образом предложил «...альтернативную форму теории Геи, основанную на более традиционных дарвиновских принципах... В [этом] новом подходе регулирование окружающей среды является следствием динамики численности населения. Роль отбора заключается в том, чтобы отдают предпочтение организмам, которые лучше всего приспособлены к преобладающим условиям окружающей среды. Однако окружающая среда не является статическим фоном для эволюции, а находится под сильным влиянием присутствия живых организмов. Возникающий в результате совместно развивающийся динамический процесс в конечном итоге приводит к сближению равновесия и оптимального. условия".
Четвертая международная конференция по гипотезе Геи, спонсируемая Управлением региональных парков Северной Вирджинии и другими организациями, прошла в октябре 2006 года в кампусе Университета Джорджа Мейсона в Арлингтоне, штат Вирджиния. [53]
Организатором мероприятия был Мартин Огл, главный натуралист NVRPA и давний сторонник гипотезы Геи. Линн Маргулис, заслуженный профессор факультета геонаук 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; доктор 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 экологической этике Дж. Бэрд Калликотт .
Первоначально получившая мало внимания со стороны ученых (с 1969 по 1977 год), впоследствии в течение некоторого периода первоначальная гипотеза Геи подвергалась критике со стороны ряда ученых, в том числе Форда Дулитла , [54] Ричарда Докинза [55] и Стивена Джея Гулда . [4] Лавлок сказал, что, поскольку его гипотеза названа в честь греческой богини и поддерживается многими людьми, не являющимися учеными, [43] гипотеза Геи была интерпретирована как неоязыческая религия . Многие ученые, в частности, также раскритиковали подход, использованный в его популярной книге «Гея, новый взгляд на жизнь на Земле», за телеологичность — веру в то, что все вещи целенаправленны и направлены к определенной цели. Отвечая на эту критику в 1990 году, Лавлок заявил: «Нигде в наших трудах мы не выражаем идею о том, что планетарная саморегуляция является целенаправленной или предполагает предвидение или планирование со стороны биоты » .
Стивен Джей Гулд раскритиковал Гею как «метафору, а не механизм». [56] Он хотел знать реальные механизмы, с помощью которых достигается саморегулируемый гомеостаз. В защиту Геи Дэвид Абрам утверждает, что Гулд упустил из виду тот факт, что «механизм» сам по себе является метафорой (хотя и чрезвычайно распространенной и часто непризнанной), которая заставляет нас рассматривать естественные и живые системы так, как если бы они были организованными машинами. и построены извне (а не как аутопоэтические или самоорганизующиеся явления). Механические метафоры, по мнению Абрама, заставляют нас игнорировать активные или агентные качества живых существ, в то время как организмические метафоры гипотезы Геи подчеркивают активную деятельность как биоты, так и биосферы в целом. [57] Что касается причинности в Гее, Лавлок утверждает, что ни один механизм не несет ответственности за это, что связи между различными известными механизмами никогда не могут быть известны, что это принимается в других областях биологии и экологии как нечто само собой разумеющееся, и эта особая враждебность приберегается к его собственной гипотезе по другим причинам. [43]
Помимо разъяснения своего языка и понимания того, что подразумевается под формой жизни, сам Лавлок приписывает большую часть критики непониманию нелинейной математики своими критиками и линеаризирующей форме жадного редукционизма , в которой все события должны быть немедленно приписаны конкретным причинам еще до факта. Он также заявляет, что большинство его критиков - биологи, но его гипотеза включает эксперименты в областях, выходящих за рамки биологии, и что некоторые явления саморегулирования могут быть необъяснимы математически. [43]
Лавлок предположил, что глобальные механизмы биологической обратной связи могут развиваться в результате естественного отбора , заявив, что организмы, которые улучшают окружающую среду для своего выживания, добиваются большего успеха, чем те, которые наносят вред окружающей среде. Однако в начале 1980-х годов У. Форд Дулиттл и Ричард Докинз по отдельности выступили против этого аспекта Гайи. Дулиттл утверждал, что ничто в геноме отдельных организмов не может обеспечить механизмы обратной связи, предложенные Лавлоком, и поэтому гипотеза Геи не предлагала никаких правдоподобных механизмов и была ненаучной. [54] Тем временем Докинз заявил, что для того, чтобы организмы действовали согласованно, потребуется предусмотрительность и планирование, что противоречит нынешнему научному пониманию эволюции. [55] Как и Дулитл, он также отверг возможность того, что петли обратной связи могут стабилизировать систему.
В 1999 году Маргулис утверждал, что « великое видение Дарвина не было ошибочным, а лишь неполным. Подчеркивая прямую конкуренцию между людьми за ресурсы как основной механизм отбора, Дарвин (и особенно его последователи) создавал впечатление, что окружающая среда представляет собой просто статическую среду. арена». Она написала, что состав атмосферы, гидросферы и литосферы Земли регулируется вокруг «заданных точек», как и в гомеостазе , но эти заданные точки меняются со временем. [58]
Эволюционный биолог У. Д. Гамильтон назвал концепцию Геи Коперниканской , добавив, что потребуется еще один Ньютон , чтобы объяснить, как саморегуляция Геи происходит посредством дарвиновского естественного отбора . [34] [ нужен лучший источник ] Совсем недавно Форд Дулиттл, опираясь на свое и Инкпен предложение ITSNTS (Это песня, а не певец) [59] предположил, что дифференциальная устойчивость может играть аналогичную роль с дифференциальным воспроизводством в эволюции посредством естественного отбора, тем самым обеспечивая возможное примирение между теорией естественного отбора и гипотезой Геи. [60]
Гипотеза Геи по-прежнему широко скептически воспринимается научным сообществом. Например, аргументы как за, так и против этого были изложены в журнале Climatic Change в 2002 и 2003 годах. Важным аргументом, выдвинутым против этого, являются многочисленные примеры, когда жизнь оказывала пагубное или дестабилизирующее воздействие на окружающую среду, вместо того, чтобы регулировать ее. . [7] [8] В нескольких недавних книгах гипотеза Геи подвергалась критике, выражая различные взгляды: от «...гипотезе Геи не хватает однозначной наблюдательной поддержки и она имеет значительные теоретические трудности» [61] до «Неловко зависать между испорченной метафорой, фактом и лженаука, я предпочитаю оставить Гею на заднем плане» [9] или «Гипотеза Геи не подтверждается ни эволюционной теорией, ни эмпирическими данными геологических свидетельств». [62] Гипотеза CLAW , [19] первоначально предложенная как потенциальный пример прямой обратной связи Гайи, впоследствии оказалась менее достоверной, поскольку понимание ядер конденсации облаков улучшилось. [63] В 2009 году была предложена гипотеза Медеи : жизнь оказывает весьма пагубное (биоцидное) воздействие на планетарные условия, что прямо противоречит гипотезе Геи. [64]
В своей книге, посвященной оценке гипотезы Геи в 2013 году с учетом современных данных из различных соответствующих дисциплин, Тоби Тиррелл пришел к выводу, что: «Я считаю, что Гея — это тупик. Однако ее исследование породило много новых и заставляющих задуматься вопросов. Хотя отвергая Гею, мы можем в то же время оценить оригинальность и широту видения 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 дает точной картины 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 он работает как гомеостатический механизм (сила 3). Последняя является «самой слабой» формой Геи, которую отстаивал Лавлок. Тиррелл отвергает это. Однако он находит, что две более слабые формы Геи — Коэволюционная Гайя и Влиятельная Гайя, 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 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 многие критики, не существует какого-либо правдоподобного механизма, который мог бы стимулировать развитие петель 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 петли положительной обратной связи, которые приводят к событиям массового вымирания. [68]
Например, оледенение Земли-снежка, по -видимому, возникло в результате развития фотосинтеза в период, когда Солнце было холоднее , чем сейчас. Удаление углекислого газа из атмосферы наряду с окислением атмосферного метана выделившимся кислородом привело к резкому уменьшению парникового эффекта . [примечание 1] В результате расширения полярных ледяных щитов уменьшилась общая доля солнечного света, поглощаемого Землей, что привело к неконтролируемому циклу положительной обратной связи лед-альбедо, что в конечном итоге привело к оледенению почти по всей поверхности Земли. [70] Выход Земли из замороженного состояния, по-видимому, произошел в первую очередь из-за выброса углекислого газа и метана вулканами, [71] хотя выброс метана микробами, запертыми подо льдом, также мог сыграть свою роль. [72] Меньший вклад в потепление мог бы внести тот факт, что покрытие Земли ледяными щитами в значительной степени подавляло фотосинтез и уменьшало удаление углекислого газа из атмосферы в результате выветривания кремнистых пород. Однако в отсутствие тектонической активности состояние снежного кома могло сохраняться неопределенно долго. [73] : 43–68
Геологические события с усилением положительных обратных связей (наряду с некоторым возможным биологическим участием) привели к величайшему в истории массовому вымиранию - пермско-триасовому вымиранию, произошедшему около 250 миллионов лет назад. Судя по всему, провоцирующим событием стали извержения вулканов в Сибирских Траппах , холмистой области паводковых базальтов в Сибири. Эти извержения высвободили высокие уровни углекислого газа и диоксида серы , что привело к повышению мировой температуры и окислению океанов. [74] Оценки повышения уровня углекислого газа варьируются в широком диапазоне: от двухкратного до двадцатикратного. [73] : 69–91 Усиление обратных связей привело к значительно большему потеплению, чем можно было ожидать просто от парникового эффекта углекислого газа: к ним относятся обратная связь по альбедо льда, повышенное испарение водяного пара (еще одного парникового газа) в атмосферу. , выброс метана в результате потепления отложений гидрата метана , погребенных под вечной мерзлотой и отложениями континентального шельфа, а также усиление лесных пожаров. [73] : 69–91 Повышение уровня углекислого газа привело к закислению океанов, что привело к повсеместному вымиранию существ с панцирями из карбоната кальция, гибели моллюсков и ракообразных, таких как крабы и омары, а также разрушению коралловых рифов. [75] Их гибель привела к нарушению всей океанической пищевой цепи. [76] Утверждалось, что повышение температуры могло привести к разрушению хемоклина, отделяющего сульфидные глубинные воды от насыщенных кислородом поверхностных вод, что привело к массовому выбросу токсичного сероводорода (продуцируемого анаэробными бактериями) на поверхность океана и даже в атмосферу. , способствуя разрушению озонового слоя (в основном из-за метана) [77] и помогая объяснить вымирание наземных животных и растений. [78]
Несмотря на свидетельства многочисленных массовых вымираний о том, что биосфера не полностью способна к саморегуляции, факт остается фактом: петли отрицательной обратной связи действительно существуют. Как упоминалось выше, несмотря на то, что за последние четыре миллиарда лет жизни на Земле количество энергии, обеспечиваемой Солнцем, увеличилось на 25–30%, температура поверхности планеты осталась в пределах, пригодных для жизни. Участие живых организмов в круговороте кислорода и углерода хорошо известно. Однако, учитывая отсутствие правдоподобного объяснения со стороны естественного отбора , посредством которого жизнь на Земле могла эволюционировать, чтобы регулировать абиотическую среду, как могли возникнуть такие петли обратной 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, самосознательные организмы, способные задавать такие вопросы. [73] : 50 Можно представить бесчисленные миры, в которых жизнь развивалась с различной биохимией или где миры имели разные геофизические свойства, так что миры в настоящее время мертвы из-за безудержного парникового эффекта, или же находятся в вечном снежном коме, или же из-за одного фактора. или иначе, жизни было запрещено развиваться за пределами микробного уровня. [заметка 2]
Если не существует средств, позволяющих естественному отбору действовать на уровне биосферы, то, похоже, антропный принцип обеспечивает единственное объяснение выживания биосферы Земли в течение геологического времени. Но в последние годы эта строго редукционистская точка зрения была изменена признанием того, что естественный отбор может действовать на многих уровнях биологической иерархии, а не только на уровне отдельных организмов. [82] Традиционный дарвиновский естественный отбор требует воспроизводства существ, которые демонстрируют наследуемые свойства или способности, в результате чего у них появляется больше потомства, чем у их конкурентов. Успешные биосферы явно не могут размножаться, создавая копии самих себя, и поэтому традиционный дарвиновский естественный отбор не может работать. Механизм отбора на уровне биосферы был предложен Фордом Дулитлом: хотя он был решительным и ранним критиком гипотезы Геи, [54] к 2015 году он начал думать о том, как можно «дарвинизировать» Гею, ища средства, с помощью которых на планете могли возникнуть адаптации на уровне биосферы. Дулитл предположил, что дифференциальная устойчивость — просто выживание — может считаться законным механизмом естественного отбора. Поскольку Земля проходит через различные испытания, феномен дифференциальной устойчивости позволяет избранным существам достичь фиксации, пережив смерть своих конкурентов. Хотя биосфера Земли не конкурирует с другими биосферами на других планетах, на этой планете существует множество конкурентов за выживание. В совокупности Гея представляет собой единую кладу всех 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 Геи как голобионтоподобной системы. [84] В конечном счете, дифференциальная персистентность и последовательный отбор являются вариантами антропного принципа, [83] в то время как энтропийная иерархия и аргументы холобионтов, возможно, могут позволить понять возникновение Геи без антропных аргументов. [83] [84]
