Die aarde is soos 'n lewende organisme! Die hipotese van die wetenskaplike James Lovelock

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Ons planeet is uniek. Net soos elkeen van ons verskil van die klipstandbeelde van die Romeinse gode, is die Aarde anders as Mars, Venus en ander bekende planete. Kom ons vertel die verhaal van een van, miskien, die wonderlikste en mees kontroversiële hipoteses van ons tyd - die Gaia-hipotese, wat ons uitnooi om na die Aarde as 'n lewende organisme te kyk.

Aarde is ons "slim huis"

James Ephraim Lovelock het verlede somer sy eeufees gevier. Wetenskaplike, uitvinder, ingenieur, onafhanklike denker, 'n persoon wat nie soseer bekend is vir sy uitvindings nie as vir die wonderlike aanname dat die Aarde 'n selfregulerende super-organisme is wat vir die grootste deel van sy geskiedenis, die afgelope drie biljoen jaar, gunstige toestande gehandhaaf het. vir die lewe op die oppervlak …

Vernoem na Gaia - die godin van antieke Griekse mitologie, wat die Aarde verpersoonlik - die hipotese, anders as tradisionele wetenskappe, dui daarop dat die globale ekosisteem van die planeet optree soos 'n biologiese organisme, en nie soos 'n lewelose voorwerp wat deur geologiese prosesse beheer word nie.

In teenstelling met die tradisionele aardwetenskappe, stel Lovelock voor om die planeet nie as 'n stel afsonderlike stelsels te beskou nie - die atmosfeer, litosfeer, hidrosfeer en biosfeer - maar as 'n enkele sisteem, waar elkeen van sy komponente, ontwikkel en verander, die ontwikkeling beïnvloed van ander komponente. Boonop is hierdie stelsel selfregulerend en het, soos lewende organismes, meganismes van omgekeerde verwantskap. Anders as ander bekende planete, deur die gebruik van omgekeerde verhoudings tussen die lewende en lewelose wêrelde, handhaaf die Aarde sy klimaat- en omgewingsparameters om 'n gunstige tuiste vir lewende wesens te bly.

Vanaf die oomblik dat dit verskyn het, is hierdie idee tereg gekritiseer en is dit nie deur die wetenskaplike gemeenskap aanvaar nie, wat dit egter nie verhinder om die verbeelding te prikkel en baie ondersteuners regoor die wêreld te versamel nie. Ten spyte van die eeufees, hou Lovelock nou, soos die grootste deel van sy lang lewe, onder die vuur van kritiek, voort om die teorie te verdedig, dit te verander en te kompliseer, gaan voort om te werk en betrokke te raak by wetenskaplike aktiwiteite.

Is daar lewe op Mars

Maar voordat hy sy aandag op die lewe op aarde gevestig het, was James Lovelock besig om lewe op Mars te soek. In 1961, net vier jaar nadat die USSR die eerste kunsmatige satelliet van ons planeet in die ruimte gelanseer het, is Lovelock genooi om by NASA te werk.

As deel van die Viking-program het die agentskap beplan om twee sondes na Mars te stuur om die planeet te bestudeer en veral te soek na spore van die noodsaaklike aktiwiteit van mikroörganismes in sy grond. Dit was die toestelle vir die opsporing van lewe, wat veronderstel was om aan boord van die sondes geïnstalleer te word, wat die wetenskaplike ontwikkel het, wat in Pasadena gewerk het by die Jet Propulsion Laboratory, 'n navorsingsentrum wat ruimtetuie vir NASA skep en in stand hou. Terloops, hy het letterlik sy aan sy gewerk - in dieselfde kantoor - met die beroemde astrofisikus en gewildmaker van die wetenskap Karl Sagan.

Sy werk was nie suiwer ingenieurswese nie. Bioloë, fisici en chemici het saam met hom gewerk. Dit het hom in staat gestel om in eksperimente te duik om maniere te vind om lewe op te spoor en van alle kante na die probleem te kyk.

Gevolglik het Lovelock homself afgevra: "As ek self op Mars was, hoe sou ek kon verstaan dat daar lewe op Aarde is?" En hy het geantwoord: "Volgens haar atmosfeer, wat enige natuurlike verwagtinge trotseer."Vrye suurstof maak 20 persent van die planeet se atmosfeer uit, terwyl die wette van chemie sê dat suurstof 'n hoogs reaktiewe gas is - en dit alles moet in verskeie minerale en gesteentes gebind word.

Lovelock het tot die gevolgtrekking gekom dat lewe – mikrobes, plante en diere, voortdurende metabolisering van materie in energie, sonlig in voedingstowwe omskakel, gas vrystel en absorbeer – is wat die Aarde se atmosfeer maak wat dit is. Daarteenoor is die atmosfeer van Mars feitlik dood en in lae-energie-ewewig met byna geen chemiese reaksies nie.

In Januarie 1965 is Lovelock genooi na 'n belangrike vergadering oor die soeke na lewe op Mars. Ter voorbereiding vir 'n belangrike gebeurtenis het die wetenskaplike 'n kort boek van Erwin Schrödinger "What is Life" gelees. Daardie selfde Schrödinger - 'n teoretiese fisikus, een van die stigters van kwantummeganika en die skrywer van die bekende gedagte-eksperiment. Met hierdie werk het die fisikus 'n bydrae tot biologie gemaak. Die laaste twee hoofstukke van die boek bevat Schrödinger se besinning oor die aard van die lewe.

Schrödinger het uitgegaan van die aanname dat 'n lewende organisme in die proses van bestaan voortdurend sy entropie verhoog - of, met ander woorde, positiewe entropie produseer. Hy stel die konsep van negatiewe entropie bekend, wat lewende organismes van die omringende wêreld moet ontvang om te kompenseer vir die groei van positiewe entropie, wat lei tot termodinamiese ewewig, en dus tot die dood. In 'n eenvoudige sin is entropie chaos, selfvernietiging en selfvernietiging. Negatiewe entropie is wat die liggaam eet. Volgens Schrödinger is dit een van die belangrikste verskille tussen lewe en lewelose natuur. 'n Lewende stelsel moet entropie uitvoer om sy eie entropie laag te hou.

Hierdie boek het Lovelock geïnspireer om te vra: "Sal dit nie makliker wees om na lewe op Mars te soek, op soek na lae entropie as 'n planetêre eienskap, as om in regoliet in te grawe op soek na Mars-organismes nie?" In hierdie geval is 'n eenvoudige atmosferiese analise met behulp van 'n gaschromatograaf voldoende om lae entropie te vind. Daarom het die wetenskaplike aanbeveel dat NASA geld spaar en die Viking-sending kanselleer.

Na die sterre

James Lovelock is op 26 Julie 1919 in Letchworth, 'n klein dorpie in Hertfordshire in die suidooste van Engeland, gebore. Hierdie stad, wat in 1903 60 kilometer van Londen af gebou is en deel is van sy groen gordel, was die eerste nedersetting in die VK, gestig in ooreenstemming met die stedelike konsep van die "tuinstad". Aan die begin van die vorige eeu was dit die idee wat baie lande gevang het oor die megastede van die toekoms, wat die beste eiendomme van 'n stad en 'n dorp sou kombineer. James is in 'n werkersklasgesin gebore, sy ouers het geen opleiding gehad nie, maar hulle het alles gedoen vir hul seun om dit te ontvang.

In 1941 het Lovelock aan die Universiteit van Manchester gegradueer - een van die voorste Britse universiteite uit die bekende "Rooi Baksteen Universiteite". Daar studeer hy saam met professor Alexander Todd, 'n uitstaande Engelse organiese chemikus, Nobelpryswenner vir die studie van nukleotiede en nukleïensure.

In 1948 het Lovelock sy M. D. van die London Institute of Hygiene and Tropical Medicine ontvang. Gedurende hierdie tydperk van sy lewe is die jong wetenskaplike besig met mediese navorsing en bedink die toestelle wat nodig is vir hierdie eksperimente.

Lovelock is gekenmerk deur 'n baie menslike houding teenoor laboratoriumdiere - tot die punt dat hy gereed was om eksperimente op homself te doen. In een van sy studies het Lovelock en ander wetenskaplikes gesoek na die oorsaak van skade aan lewende selle en weefsels tydens bevriesing. Die proefdiere - die hamsters waarop die proef uitgevoer is - moes gevries word, en dan warm gemaak word en weer lewendig gemaak word.

Maar as die vriesproses betreklik pynloos was vir diere, dan het ontdooiing voorgestel dat die knaagdiere warm eetlepels op hul bors moes sit om hul harte warm te maak en bloed te dwing om deur die liggaam te sirkuleer. Dit was 'n uiters pynlike prosedure. Maar anders as Lovelock, het sy mede-bioloë nie jammer gevoel vir laboratoriumknaagdiere nie.

Toe het die wetenskaplike 'n toestel uitgevind wat byna alles gehad het wat van 'n gewone mikrogolfoond verwag kan word - eintlik was dit dit. Jy kan 'n bevrore hamster daar sit, 'n timer instel, en na 'n vasgestelde tyd het hy wakker geword. Eendag het Lovelock uit nuuskierigheid sy middagete op dieselfde manier opgewarm. Hy het egter nie daaraan gedink om betyds 'n patent vir sy uitvinding te kry nie.

In 1957 het Lovelock die elektronopvangdetektor uitgevind, 'n buitengewoon sensitiewe toestel wat die meting van ultra-lae konsentrasies gasse in die atmosfeer en veral in die opsporing van chemiese verbindings wat 'n bedreiging vir die omgewing inhou, 'n rewolusie gemaak het.

In die laat 1950's is die toestel gebruik om te demonstreer dat die planeet se atmosfeer vol oorblyfsels van die plaagdoder DDT (dichlorodiphenyltrichloroethane) was. Hierdie uiters doeltreffende en maklik bekombare plaagdoder is wyd gebruik sedert die Tweede Wêreldoorlog. Vir die ontdekking van sy unieke eienskappe is die Switserse chemikus Paul Müller in 1948 met die Nobelprys in Geneeskunde bekroon. Hierdie toekenning is nie net toegeken vir die geredde oeste nie, maar ook vir die miljoene lewens wat gered is: DDT is tydens die oorlog gebruik om malaria en tifus onder burgerlikes en militêre personeel te bekamp.

Dit was eers teen die einde van die 50's dat die teenwoordigheid van 'n gevaarlike plaagdoder feitlik oral op aarde ontdek is - van pikkewynlewer in Antarktika tot borsmelk van sogende moeders in die Verenigde State.

Die detektor het akkurate data verskaf vir die 1962-boek "Silent Spring", geskryf deur die Amerikaanse ekoloog Rachel Carson, wat die internasionale veldtog geloods het om die gebruik van DDT te verbied. Die boek het aangevoer dat DDT en ander plaagdoders kanker veroorsaak en dat die gebruik daarvan in die landbou 'n bedreiging vir wild, veral voëls, inhou. Die publikasie was 'n landmerkgebeurtenis in die omgewingsbeweging en het 'n wye publieke oproer veroorsaak, wat uiteindelik gelei het tot die verbod op landbougebruik van DDT in die Verenigde State en daarna regoor die wêreld in 1972.

’n Bietjie later, nadat hy by NASA begin werk het, het Lovelock na Antarktika gereis en met die hulp van sy detektor die alomteenwoordige teenwoordigheid van chloorfluorkoolstowwe ontdek – kunsmatige gasse wat nou bekend is dat dit die stratosferiese osoonlaag uitput. Beide hierdie ontdekkings was uiters belangrik vir die planeet se omgewingsbeweging.

Toe die Amerikaanse Lugvaart- en Ruimte-administrasie dus sy maan- en planetêre missies teen die vroeë 1960's beplan het en begin soek het na iemand wat sensitiewe toerusting kon skep wat die ruimte ingestuur kon word, het hulle hulle tot Lovelock gewend. Omdat hy van kleins af gefassineer was deur wetenskapfiksie, het hy die aanbod met entoesiasme aanvaar en kon natuurlik nie weier nie.

Planete lewend en dood

Werk by die Jet Propulsion Laboratory het Lovelock 'n uitstekende geleentheid gebied om die eerste bewyse te ontvang van die aard van Mars en Venus wat deur ruimtesondes oorgedra word. En dit was ongetwyfeld heeltemal dooie planete, opvallend anders as ons florerende en leefwêreld.

Die aarde het 'n atmosfeer wat termodinamies onstabiel is. Gasse soos suurstof, metaan en koolstofdioksied word in groot hoeveelhede geproduseer, maar bestaan saam in stabiele dinamiese ewewig.

Die vreemde en onstabiele atmosfeer wat ons inasem, vereis iets op die Aarde se oppervlak wat voortdurend groot hoeveelhede van hierdie gasse kan sintetiseer, sowel as dit terselfdertyd uit die atmosfeer kan verwyder. Terselfdertyd is die planeet se klimaat redelik sensitief vir die oorvloed van poliatomiese gasse soos metaan en koolstofdioksied.

Lovelock ontwikkel geleidelik 'n idee van die regulerende rol van sulke siklusse van stowwe in die natuur - in analogie met metaboliese prosesse in die liggaam van 'n dier. En die aardse lewe is betrokke by hierdie prosesse, wat, volgens Lovelock se teorie, nie net daaraan deelneem nie, maar ook geleer het om die nodige bestaansvoorwaardes vir homself te handhaaf, nadat hulle een of ander vorm van wedersyds voordelige samewerking met die planeet aangegaan het.

En as dit eers suiwer spekulasie was, dan het Lovelock in 1971 die geleentheid gehad om hierdie onderwerp te bespreek met die uitstaande bioloog Lynn Margulis, die skepper van die moderne weergawe van die teorie van simbiogenese en die eerste vrou van Carl Sagan.

Margulis was mede-outeur van die Gaia-hipotese. Sy het voorgestel dat mikroörganismes 'n verbindende rol moet speel in die veld van interaksie tussen lewe en die planeet. Soos Lovelock in een van sy onderhoude opgemerk het, "Dit sou regverdig wees om te sê dat sy vlees in die bene van my fisiologiese konsep van 'n lewende planeet gesit het."

As gevolg van die nuutheid van die konsep en die teenstrydigheid daarvan met tradisionele wetenskappe, het Lovelock 'n kort en onvergeetlike naam nodig gehad. Dit was toe, in 1969, 'n vriend en buurman van die wetenskaplike, fisikus en skrywer, Nobelpryswenner, sowel as die skrywer van die roman Lord of the Flies, William Golding, voorgestel om hierdie idee Gaia te noem - ter ere van die antieke Griekse godin van die aarde.

Hoe dit werk

Volgens Lovelock se konsep is die evolusie van lewe, dit wil sê die totaliteit van alle biologiese organismes op die planeet, so nou verwant aan die evolusie van hul fisiese omgewing op 'n globale skaal dat hulle saam 'n enkele selfontwikkelende sisteem met self vorm. -regulerende eienskappe soortgelyk aan die fisiologiese eienskappe van 'n lewende organisme.

Die lewe pas nie net by die planeet aan nie: dit verander dit vir sy eie doeleindes. Evolusie is 'n paar dans waarin alles lewend en leweloos draai. Uit hierdie dans kom die essensie van Gaia na vore.

Lovelock stel die konsep van geofisiologie bekend, wat 'n sisteembenadering tot aardwetenskappe impliseer. Geofisiologie word aangebied as 'n sintetiese aardwetenskap wat die eienskappe en ontwikkeling van 'n integrale sisteem bestudeer, waarvan die nou verwante komponente biota, atmosfeer, oseane en die aardkors is.

Sy take sluit in die soek en bestudering van selfreguleringsmeganismes op planetêre vlak. Geofisiologie het ten doel om skakels te vestig tussen sikliese prosesse op sellulêre-molekulêre vlak met soortgelyke prosesse op ander verwante vlakke, soos die organisme, ekosisteme en die planeet as geheel.

In 1971 is voorgestel dat lewende organismes in staat is om stowwe te produseer wat regulatoriese betekenis vir die klimaat het. Dit is bevestig toe, in 1973, die vrystelling van dimetielsulfied deur sterwende planktoniese organismes ontdek is.

Dimetielsulfieddruppels wat die atmosfeer binnedring, dien as kerne van kondensasie van waterdamp, wat die vorming van wolke veroorsaak. Die digtheid en oppervlakte van wolkbedekking beïnvloed die albedo van ons planeet aansienlik - sy vermoë om sonstraling te weerspieël.

Terselfdertyd, wat saam met die reën op die grond val, bevorder hierdie swaelverbindings die groei van plante, wat op sy beurt die uitloging van rotse versnel. Die biogene wat as gevolg van loging gevorm word, word in riviere gespoel en beland uiteindelik in die oseane, wat die groei van planktoniese alge bevorder.

Die reissiklus van dimetielsulfied is gesluit. Ter ondersteuning hiervan is in 1990 gevind dat bewolking oor die oseane met die verspreiding van plankton korreleer.

Volgens Lovelock word die biogene meganisme van regulering van die wolkbedekking vandag, wanneer die atmosfeer oorverhit word as gevolg van menslike aktiwiteit, uiters belangrik.

Nog 'n regulatoriese element van Gaia is koolstofdioksied, wat geofisiologie as 'n sleutel metaboliese gas beskou. Klimaat, plantgroei en produksie van vrye atmosferiese suurstof hang af van die konsentrasie daarvan. Hoe meer koolstof geberg word, hoe meer suurstof word in die atmosfeer vrygestel.

Deur die konsentrasie van koolstofdioksied in die atmosfeer te beheer, reguleer biota daardeur die gemiddelde temperatuur van die planeet. In 1981 is voorgestel dat sulke selfregulering plaasvind deur biogeniese verbetering van die verweringsproses van rotse.

Lovelock vergelyk die moeilikheid om die prosesse wat op die planeet plaasvind te verstaan met die moeilikheid om die ekonomie te verstaan. 18de-eeuse ekonoom Adam Smith is veral bekend daarvoor dat hy die konsep van die "onsigbare hand" in wetenskap bekendgestel het, wat ongebreidelde kommersiële eiebelang op een of ander manier vir die algemene belang laat werk.

Dit is dieselfde met die planeet, sê Lovelock: toe dit "volwasse" geword het, het dit toestande begin handhaaf wat geskik was vir die bestaan van lewe, en die "onsigbare hand" kon die uiteenlopende belange van organismes rig op die algemene oorsaak van instandhouding hierdie toestande.

Darwin teen Lovelock

Gepubliseer in 1979, Gaia: A New Look at Life on Earth het 'n topverkoper geword. Dit is goed ontvang deur omgewingsbewustes, maar nie deur wetenskaplikes nie, van wie die meeste die idees wat dit bevat verwerp het.

Bekende kritikus van kreasionisme en intelligente ontwerp, Universiteit van Oxford professor en skrywer van The Selfish Gene, Richard Dawkins, het Gaia se teorie veroordeel as 'n "diep gebrekkige" dwaalleer teen die basiese beginsel van Darwinistiese natuurlike seleksie: "die sterkste oorleef." Tog, want Gaia se teorie stel dat diere, plante en mikroörganismes nie net meeding nie, maar ook saamwerk om die omgewing in stand te hou.

Toe Gaia se teorie die eerste keer bespreek is, was Darwinistiese bioloë van haar felste teenstanders. Hulle het aangevoer dat die samewerking wat nodig is vir die selfregulering van die Aarde nooit gekombineer kan word met die mededinging wat nodig is vir natuurlike seleksie nie.

Benewens die wese het die naam, wat uit die mitologie geneem is, ook ontevredenheid veroorsaak. Dit alles het soos 'n nuwe godsdiens gelyk, waar die Aarde self die onderwerp van vergoddeliking geword het. Die talentvolle polemikus Richard Dawkins het Lovelock se teorie uitgedaag met dieselfde energie wat hy later in verband met die konsep van die bestaan van God gebruik het.

Lovelock het voortgegaan om hul kritiek te weerlê met bewyse van selfregulering versamel uit sy navorsing en wiskundige modelle wat geïllustreer het hoe planetêre klimaat selfregulering werk. Gaia se teorie is 'n top-down, fisiologiese siening van die Aarde stelsel. Sy beskou die aarde as 'n dinamies-responsiewe planeet en verduidelik hoekom dit so verskil van Mars of Venus.

Die kritiek was hoofsaaklik gebaseer op die wanopvatting dat die nuwe hipotese anti-Darwiniaans was.

"Natuurlike seleksie bevoordeel versterkers," het Lovelock gesê. Sy teorie beskryf slegs Darwin se teorie, wat impliseer dat die natuur organismes bevoordeel wat die omgewing in 'n beter vorm laat sodat die nageslag kan oorleef.

Daardie spesies lewende dinge wat die omgewing negatief beïnvloed, maak dit minder geskik vir die nageslag en sal uiteindelik van die planeet verdryf word – sowel as swakker, evolusionêr onaangepaste spesies, het Lovelock aangevoer.

Copernicus wag vir sy Newton

Samevattend moet gesê word dat die wetenskaplike konsep van die Aarde as 'n integrale lewende sisteem, 'n lewende superorganisme, sedert die 18de eeu deur naturalistiese wetenskaplikes en denkers ontwikkel is. Hierdie onderwerp is bespreek deur die vader van moderne geologie en geochronologie James Hutton, natuurwetenskaplike wat die wêreld die term "biologie" gegee het Jean-Baptiste Lamarck, natuurkenner en reisiger, een van die grondleggers van geografie as 'n onafhanklike wetenskap, Alexander von Humboldt.

In die XX eeu is die idee ontwikkel in 'n wetenskaplik gefundeerde konsep van die biosfeer van die uitstaande Russiese en Sowjet-wetenskaplike en denker Vladimir Ivanovich Vernadsky. In sy wetenskaplike en teoretiese deel is die konsep van Gaia soortgelyk aan die "Biosfeer". In die 70's van die vorige eeu was Lovelock egter nog nie vertroud met die werke van Vernadsky nie. In daardie tyd was daar geen suksesvolle vertalings van sy werk in Engels nie: soos Lovelock dit gestel het, is Engelssprekende wetenskaplikes tradisioneel "doof" om in ander tale te werk.

Lovelock, soos sy jarelange kollega Lynn Margulis, dring nie meer daarop aan dat Gaia 'n superorganisme is nie. Vandag erken hy dat sy term "organisme" in baie opsigte net 'n nuttige metafoor is.

Charles Darwin se konsep van “stryd om oorlewing” kan egter met dieselfde rede as’n metafoor beskou word. Terselfdertyd het dit nie die Darwinistiese teorie verhinder om die wêreld te verower nie. Metafore soos hierdie kan wetenskaplike denke stimuleer en ons verder en verder op die pad van kennis beweeg.

Vandag het die Gaia-hipotese 'n stukrag geword vir die ontwikkeling van 'n moderne weergawe van die sistemiese organismiese wetenskap van die Aarde - geofisiologie. Miskien sal dit mettertyd die sintetiese biosfeerwetenskap word wat Vernadsky eens daarvan gedroom het om te skep. Nou is dit op pad om 'n tradisionele, algemeen erkende kennisveld te word en te transformeer.

Dit is nie toevallig dat die vooraanstaande Britse evolusionêre bioloog William Hamilton - die mentor van een van die mees desperate kritici van die teorie, Richard Dawkins, en die skrywer van die frase "die selfsugtige geen" wat deur laasgenoemde in die titel van sy boek gebruik word. - genoem James Lovelock "Copernicus wag op sy Newton".