Hipoteza Gai

Hipoteza, stworzona przez Jamesa Lovelocka , rozwijana następne przez Lynn Margulis, uważana jest często za jedną z najbardziej kontrowersyjnych idei współczesnej biologii.

„Wszystkie organizmy żywe czy tego chcą czy nie, tworzą część ogromnego organizmu o rozmiarach naszej planety. Nieświadomie, ale wszyscy należymy do Gai, tego jedynego organizmu żywego, który nie zmienia się i nigdy nie umiera.”J. Lovelock

Istotą tej hipotezy jest stwierdzenie, że organizmy nie tylko przystosowują się do środowiska, ale również je kształtują. Na poziomie lokalnym każda sukcesja ekologiczna jest przykładem takich procesów. Zasługą Lovelocka jest zwrócenie uwagi na te mechanizmy w skali globalnej.

Hipoteza powstała w związku z projektem NASA poszukiwania życia na Marsie. Lovelock zwrócił uwagę na fakt, że życie na innych planetach nie musi przyjmować tych samych form, co na Ziemi, dlatego metody detekcji opracowane dla ziemskich form życia nie muszą być tam skuteczne. Dlatego należy poszukiwać takich efektów, które będą towarzyszyć wszelkim rodzajom życia, bez względu, na jakim rodzaju metabolizmu byłoby oparte. Takim zjawiskiem jest lokalny spadek entropii, trwałe utrzymywanie się stanów nierównowagowych.

Koronnym argumentem Lovelocka jest fakt utrzymywania się ziemskiej atmosfery w stanie, który jest chemicznie niestabilny. Już sama wysoka zawartość tlenu – który na innych planetach typu ziemskiego, jeśli w ogóle występuje, to w śladowych ilościach – jest ewenementem. A jednoczesne występowanie tlenu i metanu świadczy o ciągłym uzupełnianiu tych gazów. Co więcej, skład ziemskiej atmosfery wydaje się wyjątkowo korzystny dla obecnych form życia i okazuje Sie względnie niezmienny przez cały okres fanerozoiku. Gazowa otoczka Ziemi, gdyby nie było na niej życia, składałaby się głównie z CO₂ z trudną do bliższego określenia domieszką azotu i śladowymi ilościami innych gazów, podobnie jak atmosfery Marsa i Wenus. Hipoteza Gai traktuje Ziemię, wraz z biosferą i atmosferą, jako homeostat – układ stabilny, zdolny do zachowania homeostazy, działający na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, a więc przeciwdziałający zakłócającym czynnikom.

 „...istnienie życia na Ziemi aktywnie i w sposób korzystny przywracało i przywraca fizyczny i chemiczny stan powierzchni Ziemi, jej atmosfery i oceanów. Stanowi to kontrast dla konwencjonalnej mądrości (wiedzy), która utrzymuje, iż to życie przystosowuje się do warunków na planecie, ponieważ zarówno życie jak i owe warunki rozwinęły się oddzielnie.” (J. Lovelock, "The Ages of Gaia")

Komórki składające się na organizm oraz liczne symbiotyczne mikroorganizmy (włącznie z mitochondriami i plastydami! – teoria endosymbiotycznego pochodzenia eukariontów autorstwa Lynn Margulis!), działając we własnym, egoistycznym interesie przyczyniają się do prawidłowego funkcjonowania wielokomórkowego organizmu. Z cech pojedynczej komórki nie można wnioskować o wszystkich cechach organizmu, w którego skład ta komórka wchodzi. Pojedynczy neuron, nawet, jeśli położony w płacie skroniowym ludzkiego mózgu, nic nie mówi o inteligencji jego właściciela – ale ta jest zależna od połączeń kilku miliardów takich właśnie neuronów. Tak samo pojedynczy organizm wydaje się nie mieć wpływu na funkcjonowanie Gai. Dopiero cała różnorodność żywych organizmów i sieć zależności między nimi oraz środowiskiem abiotycznym tworzy globalny, względnie stabilny ekosystem. To tylko kwestia poziomu organizacji, w którym całość stanowi coś więcej, niż tylko sumę składników, co zresztą nie podważa paradygmatu redukcjonistycznego, chyba, że w jego najbardziej naiwnej formie

Pierwszą książkę na temat Gai: "Gaia: A New Look at Life on Earth" Lovelock opublikował w 1979 i niestety nie spotkała się z aprobatą środowisk naukowych, prawdopodobnie z obaw przed zbędnym „mistycyzmem”. Nieco przyczynił się do tego sam Lovelock, przeceniając regulacyjne zdolności "Gai", do czego zresztą przyznawał się w późniejszych publikacjach. Przede wszystkim w sprawie stabilności temperatury Ziemi oraz zawartości tlenu w atmosferze. Badania wykazują, że poziom O₂ podlegał w historii Ziemi znacznym wahaniom. W karbonie prawdopodobnie sięgał nawet 35%, w permie spadł do 15% (co mogło być jedną z przyczyn permskiego wymierania), następnie w kredzie ponownie wzrósł do ok. 30%, by następnie spaść do obecnego poziomu 21%. Trudno jednak zaprzeczyć, że niemal cały tlen w atmosferze jest pochodzenia biogennego (niewielkie ilości z fotolizy wody pod wpływem UV są praktycznie pomijalne). To samo można powiedzieć na temat gleb. Również co do klimatu, regulacja nie musi oznaczać całkowitej stabilności. Wystarczy, że zachowane są warunki, w których możliwe jest istnienie życia, a wbrew pozorom są one dość szerokie (woda w stanie ciekłym).

Główne argumenty przeciwników hipotezy:

• Równowaga chemiczna i klimatyczna na naszej planecie jest przyczyną, a nie skutkiem istnienia życia na Ziemi.
• Zasada antropiczna. Sugeruje ona, że pojawienie się inteligentnego obserwatora nie byłoby możliwe, gdyby prawa fizyki były odmienne.
• Najpoważniejszy argument przeciwko hipotezie wysunął R. Dawkins w „Fenotypie rozszerzonym”: Gaja nie podlega replikacji, a co za tym idzie, działaniu doboru – nie spełnia więc podstawowego kryterium żywej istoty.

Ponadto hipotezie bardzo zaszkodziły zahaczające o mistycyzm interpretacje nierozsądnych entuzjastów, głównie spod znaku tzw. (?)„głębokiej ekologii”.

Ze względu na wiele błędnych interpretacji warto podkreślić, czym hipoteza Gai na pewno nie jest:

― NIE JEST mistyką ani metafizyką, pomimo nazwy zaczerpniętej z mitologii. Niekiedy można odnieść wrażenie, że przeciwników hipotezy najbardziej razi nazwa „Gaja” –mówienie o globalnym ekosystemie, co w istocie rzeczy jest tym samym, jakoś nie wywołuje takiego oporu.

― NIE JEST teleologiczna. Skoro podstawową funkcją Gai jest podtrzymywanie stabilnego środowiska: temperatury, składu atmosfery i wzajemnych relacji między biosferą a środowiskiem abiotycznym w sposób optymalny dla życia, przy pomocy pętli sprzężeń zwrotnych, dopatrywanie się celowości jest po prostu zbędne.

― NIE JEST ideologią stworzoną na potrzeby "zielonych" - Lovelock np. jest zwolennikiem energii jądrowej, a zanieczyszczenie środowiska uważa za problem marginalny, z którym mechanizmy regulacyjne Gai sobie poradzą.

Czym natomiast JEST Gaja?

Gaja jest największą forma życia, automatycznie optymalizującym się systemem; czy nazwać ją superorganizmem, to bardziej kwestia terminologii niż istoty zagadnienia. Zdolność do homeostatycznej regulacji jest nieodłączną cechą planety, na której istnieje życie. Naukowe rozstrzygnięcia stanowić będą jedynie potwierdzenie tej teorii świata.

"Nazwa żyjącej planety, Gaja, nie jest synonimem biosfery, czyli tej części Ziemi, zamieszkanej przez żywe istoty. Nie jest też tym samym, co flora i fauna (biota), które są zbiorem wszystkich indywidualnych żywych organizmów. Flora i fauna + biosfera razem tworzą część, ale nie całość Gai. Tak jak muszla jest częścią ślimaka, tak samo skały, powietrze i oceany są częścią Gai. Gaja trwa w ciągłości z przeszłością sięgającą aż do samych początków życia, a w przyszłości będzie trwać tak długo, jak będzie trwać życie. Gaja, jako żywa istota planetarna, posiada właściwości, które wcale nie są łatwo dostrzegalne jedynie poprzez wiedzę o pojedynczych gatunkach czy populacjach organizmów razem żyjących..." (J. Lovelock, "The Ages of Gaia")

Niedoskonałość utrzymywania równowagi pozwala tylko zakwestionować argumenty tych, którzy w hipotezie Gai chcieliby dopatrywać się wątków teleologicznych. Każdy układ sprzężeń zwrotnych narażony jest na załamanie, tym bardziej, im większa jest jego komplikacja. Ta hipoteza, to nie mistyka ani metafizyka, jak chcieliby zarówno jej krytycy, jak i nierozsądni entuzjaści, ale warta rozważenia, choć być może kontrowersyjna koncepcja równowagi globalnego ekosystemu. Dopatrywanie się celowości jest tu całkowicie zbędne, co Lovelock wykazał na swoim modelu „Daisyworld” („świat stokrotek”).

Dokładne omówienie tego modelu można znaleźć tu, (str. 20-27, plik PDF), tutaj podaję tylko jego podstawowe założenia:

Model zakłada uproszczoną biosferę składającą się tylko z jednego gatunku, w tym wypadku stokrotek, o różnym zabarwieniu. Warunki nasłonecznienia i wilgotności podobne są do ziemskich, a czynnikiem podlegającym regulacji jest temperatura. Kwiaty mogą przybierać skrajne barwy, od białej do czarnej. Im jaśniejszy odcień stokrotek, tym większa część energii słonecznej jest odbijana (wpływ na albedo planety). Założono również, że podobnie jak w przypadku Słońca, energia emitowana przez macierzystą gwiazdę rośnie z czasem. W przypadku przewagi osobników ciemnych, zamieszkiwana przez nie planeta bardziej się nagrzewa, odwrotnie przy przewadze jasnych. Na początku, przy niskich dawkach promieniowania gwiazdy, optymalne warunki rozwoju mają osobniki ciemne; w miarę wzrostu jego intensywności zaczynają dominować jasne, których skupiska powodują obniżenie temperatury. Za pomocą matematycznej symulacji Lovelock wykazał, że stokrotki aktywnie regulują temperaturę planety. Istotą tego modelu jest wykazanie, że stokrotki działając we własnym, egoistycznym interesie, zgodnie z zasadami darwinowskiego doboru, a więc bez żadnego odgórnie założonego celu!, mogą utrzymywać temperaturę planety na poziomie bliskim własnemu optimum. W tym sensie hipoteza Gai w istocie uzasadnia paradygmat ewolucyjny i jest kontynuacją i rozwinięciem darwinizmu.

Nie ulega natomiast wątpliwości, że od ponad 3 mld lat istnieje globalny system środowiskowy – biosfera. Krążenie materii i przepływ energii łączy lokalne ekosystemy, zdeterminowane przez charakter środowiska abiotycznego, poprzez poziom regionalny i kontynentalny, w jedną powiązaną całość. Podobnie, jak organizmy składają się z narządów, narządy z tkanek, tkanki z komórek, a te z molekuł – i każdy kolejny poziom jest czymś więcej niż prostą sumą składników – analogiczną hierarchię można obserwować na poziomie biocenoz, aż do skali globalnej. Należy więc traktować biosferę jako całość, a ta z kolei nie istnieje bez elementów abiotycznych – skał, wody, atmosfery i energii słonecznej. Gaja to po prostu homeostatyczny, globalny ekosystem, którego podstawową funkcją jest podtrzymywanie stabilnego środowiska: temperatury, składu atmosfery i wzajemnych relacji między biosferą a środowiskiem abiotycznym w sposób optymalny dla życia, przy pomocy pętli sprzężeń zwrotnych. Życie na Ziemi znajduje się w stanie dynamicznej równowagi, utrzymując optymalną temperaturę, skład atmosfery i szereg innych parametrów.

W tym miejscu nieuchronnie pojawia się pytanie o rolę człowieka. Jakkolwiek optymistycznie nie spojrzelibyśmy na ostateczne możliwości adaptacyjne Gai, to nie ulega kwestii, że dotychczasowa i obecna działalność człowieka jest przyczyną istotnych zmian w biosferze – wymierania i zmniejszania się populacji wielu gatunków. Spadek różnorodności życia na Ziemi i zanikanie naturalnych ekosystemów przybiera katastrofalny rozmiar.

Równowaga Gai może być zachwiana w przypadku wielkich kataklizmów, np. trzęsień ziemi czy zderzeń z wielkimi meteorytami. Do podobnego załamania może dojść wskutek przerostu ludzkiej populacji.

Do tej pory, w fanerozoiku, miało miejsce pięć „wielkich wymierań”:

1)     ordowik – sylur (~435 mln lat);

2)     dewon – karbon (~360 mln lat);

3)      perm – trias (~250 mln lat) - najbardziej katastrofalne, wyginęło wtedy ponad 90% form życia;

4)     trias – kreda (~200 mln lat);

5)      kreda – trzeciorzęd (~65 mln lat) – najprawdopodobniej spowodowane impaktem asteroidy, m.in. wyginięcie dinozaurów.

Oprócz powyższych miało miejsce szereg mniej ekstremalnych katastrof, z których ostatnia miała miejsce na przełomie paleocenu i eocenu (~38 mln lat temu).

Świadomość, że Gaja przetrwała niejednokrotnie wielkie globalne kataklizmy, pozwala mieć nadzieję, że i tym razem powróci do stabilności, odbudowując różnorodność życia i homeostazę, jak to już kilkakrotnie miało miejsce w historii Ziemi.  Chociaż, jak pisze L. Margulis:  „ekspansja jednego gatunku zawsze musi skończyć się katastrofą, ponieważ żaden z nich nie może odżywiać się własnymi odpadami.”   Ale to nie Gaja najbardziej ucierpi na naszej destrukcyjnej działalności, tylko my sami – równowaga biologiczna zostanie przywrócona – z nami lub bez nas… Gaja przetrwa - POMIMO obecności tak destruktywnego gatunku, jak Homo sapiens.

_______________________________________________________________

 Teksty źródłowe:

Lovelock J., Gaja. Nowe spojrzenie na życie na Ziemi, Prószyński i S-ka, Warszawa 2003.

Lovelock J., Ages of Gaia, London 1999

 Margulis L., Symbiotyczna planeta, Warszawa 2000, Wyd. Cis

 Ryszkiewicz M., Matka Ziemia w przyjaznym kosmosie. PWN, 1994

 Weiner J., Życie i ewolucja biosfery, wyd. II, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003.

 Dawkins R., Fenotyp rozszerzony, Prószyński i S-ka, Warszawa 2003.

http://gaja.res.pl/

http://www.ifj.edu.pl/publ/reports/rep_pop/1.pdf?lang=pl

http://www.bams.cm-uj.krakow.pl/bams_pdf/

http://pl.wikipedia.org/wiki/Hipoteza_Gai

http://www.obywatel.org.pl/

Licencja: Creative Commons - użycie niekomercyjne