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

Українська мова (найновіша версія) / російська версія (оновлення припинено)

2.02. Ноосфера

Д. Shabanov, M. Kravchenko. Ekologia: biologia vzaємodії
Глава 2. Біосферологія

2.04. Біогеохімічні цикли

2.03. Гіпотеза (метафора) Геї
Земля — більше, ніж просто дім, це живий організм, і ми є його частиною.
James Lovelock
Як вже було сказано, на всіх рівнях організації біосистем спостерігається регуляція за принципом негативного зворотного зв’язку. Але рівні організації біосистем у багатьох аспектах і різняться. Наприклад, організм складається в основному з живих тканин, має високий рівень цілісності та певний набір керуючих підсистем (для тварин це нервова, ендокринна та імунна системи). Те, що організм підтримує гомеостаз (зберігає постійними свої найважливіші властивості), здається нам досить звичним. Навпаки, біосфера складається в основному з неживих компонентів, не має «центру» і керуючих підсистем. Однак підтримувати стійкість своїх важливих параметрів спроможна і вона!
Ця властивість біосфери справила сильне враження на англійського хіміка Джеймса Лавлокa, який працював у американському аерокосмічному агентстві (NASA) і намагався визначити ті ознаки, за якими можна шукати планети, на яких існує життя. Йому стало ясно, що найважливіші параметри земної біосфери (склад атмосфери, іонний склад океану, клімат) підтримуються живими організмами у стані, дуже далекому від рівноваги. Протягом тривалого часу земна біосфера підтримує на поверхні планети сприятливі для себе умови.
У 1972 році Джеймс Лавлок і Лінн Марґуліс запропонували так звану «гіпотезу Геї» — уявлення про Землю як надорганізм, який підтримує свій гомеостаз. Як зазначав пізніше Лавлок, вони з Марґуліс незалежно прийшли до думок, які раніше висловлювали і Джеймс Хаттон у XVII столітті, і Володимир Вернадський у XX столітті. Звичайно, для оцінки цієї точки зору важливо, що розуміється під терміном «надорганізм». Профане розуміння концепції ієрархічної організації біосистем призводить до помилкового висновку, що всі рівні мають бути влаштовані однаково. Достатньо задуматися про принципові відмінності організмів, популяцій, спільнот і екосистем, щоб зрозуміти, що вищий рівень зовсім не обов’язково буде схожим на нижчий. Саме через це, «гіпотеза Геї» є скоріше «метафорою Геї», при якій відбувається порівняння планети з організмом. Ця метафора корисна вже хоча б тим, що спрямовує увагу дослідників на пошук механізмів планетарної регуляції.
Повернемося до запропонованої Дж. Лавлоком у 1979 році умозрительної моделі глобальної регуляції — «Маргариткового світу» (див. пункт 1.9). Якщо біосфера, яка всього‑то і може, що змінювати колір пелюсток квіток, що ростуть на її поверхні, здатна регулювати температуру планети в досить широких межах, які ж можливості має земна біосфера? Властивості зірок того класу, до якого належить Сонце, такі, що з часом вони поступово збільшують свою світність. За час існування земного життя це мало призвести до суттєвих змін температур на поверхні планети. Як би це не було дивно, цього не сталося. Швидше за все, збереження клімату відносно постійним — результат регуляторної активності біосфери. Земна біофера набагато складніша за Маргаритковий світ. Чи робить Маргаритковий світ більш чи менш стійким додавання в описуючу його модель додаткових компонентів — проблема, яка досі залишається предметом дискусій.
Багато взаємозв’язків, що забезпечують функціонування Геї, ще невідомі. Наведемо один приклад, відкритий за участі Лавлока. Вмираючи, планктонні водорості виділяють гази — диметилсульфід і метилйод. Ці гази виконують одразу кілька функцій. По‑перше, вони посилюють конденсацію водяних парів в атмосфері у вигляді хмар. Якщо планктонні водорості гинуть від перегріву, виділення цих газів призводить до охолодження води завдяки хмарному покриву. Цей ефект має не лише локальний характер. Збільшення хмарного покриву підвищує альбедо планети — її здатність відбивати падаючі на неї промені. Виникаючий завдяки хмарному покриву вітер сприяє перемішуванню води. Крім того, ці гази, потрапляючи в атмосферу, дозволяють повертати на сушу сполуки сірки та йоду, необхідні для наземних екосистем. Зростання активності наземних рослин призводить до посилення руйнування ними гірських порід і збільшення кількості біогенів (необхідних для планктонних водоростей), які надходять в океан зі стоками води з суші.
Одним із напрямків критики концепції Геї є те, що забезпечення стійкості Землі не може бути пов’язане з диференціальною смертністю або диференціальним відтворенням одиниць відбору планетарного рівня. Доцільність біосистем організмного рівня пов’язана з тим, що вони диференційно (залежно від своїх властивостей) виживають і розмножуються. Зрозуміло, що прямої аналогії з біосистемою планетарного рівня тут бути не може. Хоча планети можуть гинутии, вони не розмножуються і, тим більше, не передають своїм «нащадкам» сукупність успадкованих задатків, що сприяють їх виживанню і розмноженню.
«За гіпотезою Лавлока миттєво пробігла б смертельна тріщина, якби він поставив питання про рівень природного селекційного процесу, на якому треба було б розробляти передбачувану адаптацію Землі. Гомеостатичні адаптації в окремих тілах розвиваються тому, що індивіди з покращеним гомеостатичним апаратом передають свої гени в майбутнє ефективніше, ніж ті, що з недосконалим» (Річард Докінз).
Ймовірно, щоб відповісти на заперечення Докінза, треба розглядати не лише класичний варіант дарвінського відбору (диференціальне виживання і розмноження організмів) і тим більше не його застосування на генному рівні, що відповідає концепції «егоїстичного гена» (тобто диференціальну реплікацію генетичних послідовностей). Як зазначав Стефан Больцман, концепція природного відбору має дуже широкий фізичний сенс. Другий закон термодинаміки, у вивченні якого Больцман зробив видатний внесок, можна, серед іншого, сформулювати так. Відкриті системи самовільно переходять у більш стійкі (більш ймовірні) стани. Стійкість у загальному сенсі, як ви пам’ятаєте, — це здатність системи зберігати свій стан.
Одне з наслідків такої формулювання другого закону термодинаміки може здаватися досить простою думкою, цілком відповідаючою здоровому глузду. Проте воно відкриває можливість для пояснення багатьох нетривіальних речей; ось вона. Процеси, які стабільно підтримують свій стан і здатні відтворюватися, витісняють нестабільні та менш здатні до поширення процеси.
Природний відбір — один із ряду прикладів витіснення нестабільних процесів стабільними. Звичайно, ми звикли думати про організми, як про окремі одиниці, проте це — питання звички. Незважаючи на те, що зазвичай ми сприймаємо організми як відносно постійні структури, їх можна (і в деяких випадках треба) розглядати як тимчасові стани, що виникають у ході певних процесів — життєвих циклів, послідовностей онтогенезів (рис. 2.3.1).
«Те, що називається структурою, є повільним процесом великої тривалості; те, що називають функцією, є швидкими процесами короткої тривалості» (Людвіг фон Берталанфі).

Рис. 2.3.1. Організми — не незалежні одиниці. Кожен з них — частина процесу відтворення певного життєвого циклу. Для нашого спостереження доступні ті процеси, які виявилися стійкими.
Відповідно до сказаного, класичний дарвінський відбір можна описати і таким чином. Серед змінних одиниць, які здатні до відтворення собі подібних, з часом залишаються ті, які краще зберігаються і відтворюються. Проте одиницями відбору на стійкість можуть бути не лише окремі системи, а й певні стани однієї системи. В еволюції біосфери ми спостерігаємо зміни процесів, які відбуваються на нижчому рівні, ніж біосферний. Деякі з цих процесів стійкі, деякі — ні. Наприклад, причиною сукцесій (див. пункт 3.8) є те, що існування нестабільних спільнот виявляється тимчасовим, і з часом вони замінюються стійкими (клімаксними) — доки якесь збурення не позбавить їх стійкості. Автори цього підручника передбачають, що планетарні механізми регуляції можуть виникати і удосконалюватися в результаті конкуренції альтернативних процесів на біоценотичному рівні (рис. 2.3.2). На жаль, ступінь вивченості такої конкуренції явно недостатня.

Рис. 2.3.2. Більш стійкі процеси витісняють менш стійкі. Саме це може бути причиною еволюції механізмів планетарної регуляції.
Так чи інакше, у гіпотезі Геї переплелися елементи наукової теорії та релігійного пророцтва. Останні роки Джеймс Лавлок виступає з передбаченнями катастроф. Він вважає людство «нервовою системою» Геї, за допомогою якої вона усвідомлює себе. На жаль, людство не усвідомило своєї ролі і порушило функціонування Геї.
«Гея зробила мене планетарним лікарем, і, оскільки я сприймаю свою професію серйозно, мені доводиться, волі‑неволі, повідомляти погані новини. … Центри з вивчення клімату у всьому світі, — що є еквівалентом діагностичної лабораторії або лікарні, доповідають про фізичний стан Землі, — і спеціалісти бачать, що планета серйозно хвора, і в найближчий час у неї почнеться лихоманка, яка триватиме не менше 100 тисяч років. І я маю сказати вам, члени Земної сім’ї, і найближчій її частині, — що ви, і, особливо, цивілізація, перебуваєте в смертельній небезпеці. …
Ми маємо бути серцем і розумом Землі, а не просто вірусним захворюванням. Тож давайте ж наберемося мужності думати не лише про потреби і права людини, а й про те, який шкоду ми завдали Землі, і як нам примиритися з Геєю. Ми маємо взятися за справу, доки ми ще достатньо сильні для цього, доки ми ще не убога натовп людей, зламаний жорстокою волею диких військових диктаторів. Головне, що ми маємо пам’ятати, це те, що ми частина Землі, і що вона справді є нашим домом» (D. Lovelock).
Цікавим розвитком метафори Геї є метафора Медії, запропонована американським палеонтологом Peter Ward. Медія — героїня давньогрецьких міфів, дружина Ясона, яка вбила власних дітей. Справа в тому, що масові вимирання в історії земного життя можна розглядати як регуляторні впливи зі сторони планети на її біоту. На жаль, ми маємо серйозно розглядати сценарій, у якому людство переводить біосферу в нестабільний стан і внаслідок цього зникає. Планетарні та біосферні реакції на таку людську активність, що в кінцевому підсумку призводять до загибелі людства, можна розглядати в рамках метафори Медії, що знищує своїх дітей.
Як би ми не ставилися до гіпотези Геї, з Лавлоком не можна не погодитися в тому, що один із головних параметрів біосфери — вміст CO₂ в атмосфері. Ймовірно, підняті Лавлоком проблеми потребують серйозного вивчення. Одним із ефективних методів такого вивчення, на думку авторів цього підручника, може бути імітаційне моделювання.
Українська / Русский

2.02. Ноосфера

Екологія: біологія взаємодії
Глава 2. Біосферологія

2.04. Біогеохімічні цикли