Экология: биология взаимодействия. 2.03. Гипотеза (метафора) Геи

Українська / Русский

2.02. Ноосфера

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 2. Биосферология

2.04. Биогеохимические циклы

2.03. Гипотеза (метафора) Геи

Земля — больше, чем просто дом, это живой организм, и мы являемся его частью.
Джеймс Лавлок

Как было уже сказано, на всех уровнях организации биосистем наблюдается регуляция по принципу отрицательной обратной связи. Но уровни организации биосистем во многом и отличаются. Например, организм состоит в основном из живых тканей, обладает высоким уровнем целостности и определенным набором управляющих подсистем (для животных это нервная, эндокринная и иммунная системы). То, что организм поддерживает гомеостаз (сохраняет постоянными свои важнейшие свойства), кажется нам достаточно привычным. Напротив, биосфера состоит в основном из неживых компонентов, не имеет «центра» и управляющих подсистем. Однако поддерживать устойчивость своих важных параметров способна и она!

Это свойство биосферы произвело сильное впечатление на английского химика Джеймса Лавлока, который работал в американском аэрокосмическом агентстве (NASA) и пытался определить те признаки, по которым можно искать планеты, на которых существует жизнь. Ему стало ясно, что важнейшие параметры земной биосферы (состав атмосферы, ионный состав океана, климат) поддерживаются живыми организмами в состоянии, весьма далеком от равновесия. На протяжении длительного времени земная биосфера поддерживает на поверхности планеты благоприятные для себя условия.

В 1972 году Джеймс Лавлок и Линн Маргулис предложили так называемую «гипотезу Геи» — представление о Земле как о сверхорганизме, который поддерживает свой гомеостаз. Как указывал позже Лавлок, они с Маргулис независимо пришли к мыслям, которые ранее высказывали и Джеймс Хаттон в XVII веке, и Владимир Вернадский в XX веке. Конечно, для оценки этой точки зрения важно, что понимается под термином «сверхорганизм». Профанное понимание концепции иерархической организации биосистем приводит к неверному выводу, что все уровни должны быть устроены одинаково. Достаточно задуматься о принципиальных отличиях организмов, популяций, сообществ и экосистем, чтобы понять, что вышележащий уровень совершенно необязательно будет похож на нижележащий. Уже в силу этого, «гипотеза Геи» является скорее «метафорой Геи», при которой происходит сравнение планеты с организмом. Эта метафора полезна уже хотя бы тем, что направляет внимание исследователей на поиск механизмов планетарной регуляции. 

Вернемся к предложенной Дж. Лавлоком в 1979 году умозрительной модели глобальной регуляции — «Маргаритковому миру» (см. пункт 1.9). Если биосфера, которая всего-то и может, что менять цвет лепестков растущих на ее поверхности цветков, способна регулировать температуру планеты в достаточно широких пределах, каковы же возможности земной биосферы? Свойства звезд того класса, к которому относится Солнце, таковы, что со временем они постепенно увеличивают свою светимость. За время существования земной жизни это должно было привести к существенному изменению температур на поверхности планеты. Как ни удивительно, это не произошло. Скорее всего, сохранение климата относительно постоянным — результат регуляторной активности биосферы. Земная биофера намного сложнее Маргариткового мира. Делает ли Маргаритковый мир более или менее устойчивым добавление в описывающую его модель дополнительных компонентов — проблема, которая до сих пор остается предметом дискуссий. 

Многие взаимосвязи, обеспечивающие функционирование Геи, еще неизвестны. Приведем один пример, открытый при участии Лавлока. Отмирая, планктонные водоросли выделяют газы — диметилсульфид и метилйод. Эти газы выполняют сразу несколько функций. Во-первых, они усиливают конденсацию водяных паров в атмосфере в виде облаков. Если планктонные водоросли гибнут от перегрева, выделение этих газов приводит к охлаждению воды благодаря облачному покрову. Этот эффект носит не только локальный характер. Увеличение облачного покрова увеличивает альбедо планеты — ее способность отражать упавшие на нее лучи. Возникающий благодаря облачному покрову ветер способствует перемешиванию воды. Кроме того, эти газы, поступая в атмосферу, позволяют возвращать на сушу соединения серы и йода, необходимые для наземных экосистем. Рост активности наземных растений приводит к усилению разрушения ими горных пород и увеличению количества биогенов (нужных для планктонных водорослей), которые поступают в океан со стоками воды с суши.

Одно из направлений критики концепции Геи состоит в том, что обеспечение устойчивости Земли не может быть связано с дифференциальной смертностью или дифференциальным воспроизводством единиц отбора планетарного уровня. Целесообразность биосистем организменного уровня связана с тем, что они дифференциально (в зависимости от своих свойств) выживают и размножаются. Понятно, что прямой аналогии с биосистемой планетарного уровня тут быть не может. Хотя планеты могут гибнуть, они не размножаются и, тем более, не передают своим «потомкам» совокупности наследственных задатков, способствующих их выживанию и размножению.

«По гипотезе Лавлока моментально пробежала бы смертоносная трещина, если б он задался вопросом об уровне естественного селекционного процесса, на котором потребовалось вырабатывать предполагаемую адаптацию Земли. Гомеостатические адаптации в отдельных телах развиваются потому, что индивидуумы с улучшенным гомеостатическим аппаратом передают свои гены в будущее более эффективно, чем таковые с несовершенным» (Ричард Докинз).

Вероятно, чтобы ответить на возражение Докинза, надо рассматривать не только классический вариант дарвиновского отбора (дифференциальное выживание и размножение организмов) и уж тем более не его приложение на генном уровне, соответствующее концепции «эгоистичного гена» (т.е. дифференциальную репликацию генетических последовательностей). Как указывал Стефан Больцман, концепция естественного отбора имеет очень широкий физический смысл. Второе начало термодинамики, в изучение которого Больцман внес выдающийся вклад, можно, помимо прочего, сформулировать так. Открытые системы самопроизвольно переходят в более устойчивые (более вероятные) состояния. Устойчивость в общем смысле, как вы помните, — это способность системы сохранять свое состояние.

Одно из следствий такой формулировки второго начала термодинамики может показаться довольно простой мыслью, вполне соответствущей здравому смыслу. Впрочем, оно открывает возможность для объяснения многих нетривиальных вещей; вот оно. Процессы, которые устойчиво поддерживают свое состояние и способны воспроизводиться, вытесняют неустойчивые и менее способные к распространению процессы.

Естественный отбор — один из ряда примеров вытеснения неустойчивых процессов устойчивыми. Конечно, мы привыкли думать о организмах, как об отдельных единицах, однако это — вопрос привычки. Несмотря на то, что обычно мы воспринимаем организмы как относительно постоянные структуры, их можно (и в некоторых случаях нужно) рассматривать как временные состояния, возникающие в ходе определенных процессов — жизненных циклов, последовательностей онтогенезов (рис. 2.3.1).

«То, что называется структурой, является медленным процессом большой продолжительности; то, что называют функцией, является быстрыми процессами короткой продолжительности» (Людвиг фон Берталанфи).

Рис. 2.3.1. Организмы — не незавиимые единицы. Каждый из них — часть процесса воспроизводства определенного жизненного цикла. Для нашого наблюдения доступны те процессы, которые оказались устойчивыми

В соответствии со сказанным, классический дарвиновский отбор можно описать и таким образом. Среди изменчивых единиц, которые способны к воспроизводству себе подобных, со временем остаются такие, которые лучше сохраняются и воспроизводятся. Впрочем, единицами отбора на устойчивость могут быть не только отдельные системы, но и определенные состояния одной системы. В эволюции биосферы мы наблюдаем изменения процессов, которые идут на более низком уровне, чем биосферный. Некоторые из этих процессов устойчивы, некоторые — нет. Например, причиной сукцессий (см. пункт 3.8) является то, что существование неустойчивых сообществ оказывается преходящим, и со временем они заменяются устойчивыми (климаксными) — до тех пор, пока какое-то возмущение не лишит их устойчивости. Авторы этого учебника предполагают, что планетарные механизмы регуляции могут возникать и совершенствоваться в результате конкуренции альтернативных процессов на биоценотическом уровне (рис. 2.3.2). К сожалению, степень изученности такой конкуренции явно недостаточна.

Рис. 2.3.2. Более стойкие процессы вытесняют менее стойкие. Именно это может быть причиной эволюции механизмов планетарной регуляции

Так или иначе, в гипотезе Геи переплелись элементы научной теории и религиозного пророчества. В последние годы Джеймс Лавлок выступает с предсказаниями катастроф. Он считает человечество «нервной системой» Геи, с помощью которой она осознает сама себя. Увы, человечество не осознало своей роли и нарушило функционирование Геи.

«Гея сделала меня планетарным врачом, и, поскольку я воспринимаю свою профессию всерьёз, мне волей-неволей приходится сообщать дурные вести. … Центры по изучению климата во всём мире, — представляющие собой эквивалент диагностической лаборатории или больницы, докладывают о физическом состоянии Земли, — и специалисты видят, что планета серьёзно больна, и в самом скором времени у неё начнётся лихорадка, которая продлится не менее 100 тысяч лет. И я должен сказать вам, члены Земной семьи, и самая её близкая часть, — что вы, и, в особенности, цивилизация находимся в смертельной опасности. …

Мы должны быть сердцем и разумом Земли, а не просто вирусным заболеванием. Так давайте же наберёмся мужества думать не только о потребностях и правах человека, но и о том, какой вред мы нанесли Земле, и как нам примириться с Геей. Мы должны взяться за дело, пока мы ещё достаточно сильны для этого, пока мы ещё не убогая толпа людишек, сломленная жестокой волей одичалых военных диктаторов. Главное, что мы должны помнить, так это что мы часть Земли, и что она и в самом деле является нашим домом» (Дж. Лавлок).

Интересным развитием метафоры Геи является метафора Медеи, предложенная американским палеонтологом Питером Вордом. Медея — героиня древнегреческих мифов, жена Ясона, которая убила собственных детей. Дело в том, что массовые вымирания в истории земной жизни можно рассматривать как регуляторные воздействия со стороны планеты на ее биоту. К сожалению, мы должны всерьез рассматривать сценарий, при котором человечество переводит биосферу в неустойчивое состояние и в силу этого исчезает. Планетарные и биосферные реакции на такую человеческую активность, приводящие в конце концов к гибели человечества, можно рассматривать в рамках метафоры Медеи, уничтожающей своих детей. 

Как ни относиться к гипотезе Геи, с Лавлоком нельзя не согласиться в том, что один из главных параметров биосферы — содержание CO2 в атмосфере. Вероятно, поднятые Лавлоком проблемы нуждаются в серьезном изучении. Одним из эффективных методов такого изучения, по мнению авторов этого учебника, может быть имитационное моделирование.

 

Українська / Русский

2.02. Ноосфера

Экология: биология взаимодействия

Глава 2. Биосферология

2.04. Биогеохимические циклы