Наша планета уникальна. Подобно тому, как каждый из нас отличается от каменных статуй римских богов, Земля отличается от Марса, Венеры и других известных планет. Расскажем историю одной из, пожалуй, самых удивительных и спорных гипотез современности – гипотезы Геи, предлагающей нам взглянуть на Землю как на живой организм.
Земля – наш «умный дом»
Прошлым летом отметил свое столетие Джеймс Эфрэйм Лавлок. Ученый, изобретатель, инженер, независимый мыслитель, человек, известный не столько своими изобретениями, сколько удивительным предположением, что Земля – это саморегулирующийся суперорганизм, который на протяжении большей части своей истории, последних трех с лишним миллиардов лет, поддерживал на поверхности благоприятные условия для жизни.
Названная по имени Геи – богини древнегреческой мифологии, олицетворяющей Землю, – гипотеза, в отличие от традиционных наук, предполагает, что глобальная экосистема планеты ведет себя как биологический организм, а не как неодушевленный объект, управляемый геологическими процессами.
В противовес традиционным наукам о Земле Лавлок предлагает рассматривать планету не как набор обособленных систем – атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы, – а как единую систему, где каждая ее составляющая, развиваясь и изменяясь, оказывает влияние на развитие других компонентов. Причем система эта саморегулирующаяся и, подобно живым организмам, имеет механизмы обратной взаимосвязи. В отличие от других известных планет, путем использования обратных взаимосвязей между живым и неживым мирами Земля поддерживает свой климат и параметры среды, чтобы оставаться благоприятным домом для живых существ.
С самого момента появления эта идея справедливо подвергалась критике и не была принята научным сообществом, что не мешает ей, однако, будоражить воображение и собирать множество сторонников по всему миру. Несмотря на вековой юбилей, Лавлок сейчас, как и большую часть своей долгой жизни, оставаясь под огнем критики, продолжает отстаивать теорию, модифицирует ее и усложняет, продолжает работать и заниматься научной деятельностью.
Есть ли жизнь на Марсе
Но прежде чем обратить свое внимание на жизнь на Земле, Джеймс Лавлок был занят поиском жизни на Марсе. В 1961 году, всего через четыре года после того, как СССР запустил в космос первый искусственный спутник нашей планеты, Лавлока пригласили на работу в NASA.
В рамках программы «Викинг» агентство планировало отправку к Марсу двух зондов для изучения планеты и, в частности, поиска следов жизнедеятельности микроорганизмов в ее грунте. Именно приборы для обнаружения жизни, которые должны были установить на борту зондов, разрабатывал ученый, работая в Пасадене, в Лаборатории реактивного движения – научно-исследовательском центре, который создает и обслуживает космические аппараты для NASA. К слову, работал он в буквальном смысле бок о бок – в одном кабинете – с известным астрофизиком и популяризатором науки Карлом Саганом.
Его работа не была чисто инженерной. Рядом с ним трудились биологи, физики и химики. Это позволило ему погрузиться с головой в эксперименты по поиску способов обнаружения жизни и посмотреть на проблему со всех сторон.
В итоге Лавлок спросил себя: «Если бы я сам был на Марсе, как бы я смог понять, что на Земле есть жизнь?» И ответил: «По ее атмосфере, которая не поддается никаким естественным ожиданиям». Свободный кислород составляет 20 процентов атмосферы планеты, тогда как законы химии говорят, что кислород – высокореактивный газ, – и весь он должен находиться в связанном состоянии в составе различных минералов и пород.
Лавлок пришел к выводу, что жизнь – микробы, растения и животные, постоянно метаболизирующие материю в энергию, превращающие солнечный свет в питательные вещества, выделяющие и поглощающие газ – вот то, что делает атмосферу Земли такой, какая она есть. В отличие от этого, марсианская атмосфера практически мертва и находится в низкоэнергетическом равновесии почти без химических реакций.
В январе 1965 года Лавлока пригласили на решающее совещание по поиску жизни на Марсе. В процессе подготовки к важному мероприятию ученый прочел небольшую книгу Эрвина Шредингера «Что такое жизнь». Того самого Шредингера – физика-теоретика, одного из создателей квантовой механики и автора всем известного мыслительного эксперимента. Этим трудом физик внес вклад и в биологию. Две последние главы книги содержат размышления Шредингера о природе жизни.
Шредингер исходил из того, что живой организм в процессе существования непрерывно увеличивает свою энтропию – или, другими словами, производит положительную энтропию. Он вводит концепцию отрицательной энтропии, которую живые организмы должны получать из окружающего мира, чтобы компенсировать рост положительной энтропии, ведущий к термодинамическому равновесию, а значит, к смерти. В простом понимании энтропия – это хаос, саморазрушение и саморазложение. Отрицательная энтропия – то, чем организм питается. Согласно Шредингеру, в этом и состоит одно из главных отличий жизни от неживой природы. Живая система должна экспортировать энтропию, чтобы поддержать собственную энтропию на низком уровне.
Эта книга вдохновила Лавлока на вопрос: «Разве не будет проще искать жизнь на Марсе, ища низкую энтропию как планетарное свойство, чем зарываться в реголит в поисках марсианских организмов?» В этом случае, чтобы найти низкую энтропию, достаточно провести простой атмосферный анализ с использованием газового хроматографа. Поэтому ученый рекомендовал NASA сэкономить деньги и отменить миссию «Викинг».
К звездам
Джеймс Лавлок родился 26 июля 1919 года в Летчуэрте – небольшом городке в графстве Хартфордшир на юго-востоке Англии. Этот город, построенный в 1903 году в 60 километрах от Лондона и являющийся частью его зеленого пояса, стал первым в Великобритании поселением, основанным в соответствии с градостроительной концепцией «города-сада». В начале прошлого века это была захватившая многие страны идея о мегаполисах будущего, в которых были бы объединены лучшие свойства города и деревни. Джеймс родился в рабочей семье, его родители не имели образования, но они сделали все, чтобы их сын его получил.
В 1941 году Лавлок оканчивает Манчестерский университет – один из ведущих британских вузов из числа знаменитых «Университетов из красного кирпича». Там он учился у профессора Александра Тодда – выдающегося английского химика-органика, лауреата Нобелевской премии за исследования нуклеотидов и нуклеиновых кислот.
В 1948 году Лавлок получает диплом доктора медицины в Лондонском институте гигиены и тропической медицины. В этот период своей жизни молодой ученый занимается медицинскими исследованиями и изобретает приборы, необходимые для этих экспериментов.
Лавлок отличался весьма гуманным отношением к лабораторным животным – вплоть до того, что готов был ставить опыты на себе. В одном из своих исследований Лавлок с другими учеными искал причину повреждения живых клеток и тканей при обморожениях. Подопытных животных – хомяков, на которых ставили эксперимент – предстояло заморозить, а затем отогреть и вернуть к жизни.
Но если процесс заморозки был сравнительно безболезненным для животных, то разморозка предполагала, что грызунам нужно было приложить раскаленные столовые ложки на грудь, чтобы нагреть их сердце и заставить кровь циркулировать по организму. Это была крайне болезненная процедура. Но, в отличие от Лавлока, его коллеги-биологи не испытывали чувства жалости к лабораторным грызунам.
Тогда ученый изобрел устройство, в котором было почти все, что можно ожидать от обычной микроволновой печи – по сути, это и была она. Туда можно было поместить замороженного хомяка, установить таймер, и через заданное время он просыпался. Однажды ради любопытства таким же образом Лавлок разогрел свой обед. Впрочем, своевременно получить патент на свое изобретение он не догадался.
В 1957 году Лавлок изобретает детектор захвата электронов – необычайно чувствительное устройство, которое совершило переворот в области измерения сверхмалых концентраций газов в атмосфере и, в частности, в обнаружении химических соединений, представляющих угрозу для окружающей среды.
В конце 1950-х устройство использовали для демонстрации того, что атмосфера планеты была полна остатков пестицида ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтана). Этот исключительно эффективный и простой в получении пестицид широко распространился после Второй мировой войны. За открытие его уникальных свойств швейцарский химик Пауль Мюллер в 1948 году был удостоен Нобелевской премии по медицине. Награда эта была присуждена не только за сохраненные урожаи, но и за миллионы спасенных человеческих жизней: ДДТ использовался в период войны для борьбы с малярией и сыпным тифом среди гражданского населения и военнослужащих.
Вот только к концу 50-х присутствие опасного пестицида было обнаружено практически повсеместно на Земле – от печени пингвинов в Антарктиде до грудного молока кормящих матерей в Соединенных Штатах.
Детектор позволил получить точные данные для написания американским экологом Рэйчел Карсон в 1962 году книги «Тихая весна», с которой и началась международная кампания по запрещению использования ДДТ. В книге утверждалось, что ДДТ и другие пестициды вызывают рак и что их использование в сельском хозяйстве представляет угрозу для дикой природы, особенно птиц. Публикация стала знаковым событием в движении за охрану окружающей среды и вызвала широкий общественный резонанс, который в итоге привел в 1972 году к запрету сельскохозяйственного использования ДДТ в Соединенных Штатах, а затем и во всем мире.
Несколько позже, уже после начала работы в NASA, Лавлок отправился в Антарктику и с помощью своего детектора обнаружил повсеместное присутствие хлорфторуглеродов – искусственных газов, которые, как теперь известно, истощают стратосферный озоновый слой. Оба эти открытия были чрезвычайно важны для экологического движения на планете.
Поэтому, когда к началу 1960-х американское Управление по аэронавтике и исследованию космического пространства запланировало свои лунные и планетарные миссии и стало искать кого-то, кто был способен создать чувствительное оборудование, которое можно отправить в космос, оно обратились к Лавлоку. Будучи увлеченным фантастикой с детства, он воспринял предложение с энтузиазмом и, конечно, не смог отказаться.
Планеты живые и мертвые
Работа в Лаборатории реактивного движения предоставляла Лавлоку прекрасную возможность получать первые свидетельства о природе Марса и Венеры, передаваемые космическими зондами. И это были, несомненно, совершенно мертвые планеты, разительно отличавшиеся от нашего цветущего и живого мира.
Земля обладает атмосферой, которая нестабильна в термодинамическом смысле. Газы, такие как кислород, метан и двуокись углерода, образуются в больших количествах, но сосуществуют в стабильном динамическом равновесии.
Странная и нестабильная атмосфера, которой мы дышим, требует присутствия на поверхности Земли чего-то, что может непрерывно синтезировать огромное количество таких газов, а также одновременно удалять их из атмосферы. В то же время климат планеты довольно чувствителен к изобилию многоатомных газов, например метана и углекислого газа.
У Лавлока постепенно складывается представление о регулирующей роли подобных круговоротов веществ в природе – по аналогии с метаболическими процессами в организме животного. И в эти процессы вовлечена земная жизнь, которая, согласно теории Лавлока, не только участвует в них, но и научилась поддерживать необходимые для себя условия существования, вступив с планетой в некую форму взаимовыгодного сотрудничества.
И если поначалу все это было чистым предположением, то в 1971 году у Лавлока появилась возможность обсудить эту тему с выдающимся биологом Линн Маргулис, создательницей современной версии теории симбиогенеза и первой женой Карла Сагана.
Маргулис стала соавтором гипотезы Геи. Она высказала мысль, что связующую роль в поле взаимодействия между жизнью и планетой должны играть микроорганизмы. Как отмечал Лавлок в одном из своих интервью: «Было бы справедливо сказать, что она поместила плоть в кости моей физиологической концепции живой планеты».
Из-за новизны концепции и ее несоответствия традиционным наукам Лавлок нуждался в кратком и запоминающемся названии. Тогда-то, в 1969 году, друг и сосед ученого, физик и писатель, лауреат Нобелевской премии, а также автор романа «Повелитель мух» Уильям Голдинг предложил назвать эту идею Геей – в честь древнегреческой богини Земли.
Как это работает
Согласно предложенной Лавлоком концепции, эволюция жизни, то есть совокупности всех биологических организмов планеты, настолько тесно связана с эволюцией их физического окружения в масштабе всей Земли, что вместе они образуют единую саморазвивающуюся систему, обладающую саморегуляторными свойствами, подобными физиологическим свойствам живого организма.
Жизнь не просто адаптируется к планете: она меняет ее в своих целях. Эволюция – это парный танец, в котором кружится все живое и неживое. Из этого танца и возникает сущность Геи.
Лавлок вводит понятие геофизиологии, подразумевающее системный подход к наукам о Земле. Геофизиология представляется как синтетическая наука о Земле, изучающая свойства и развитие целостной системы, тесно связанными компонентами которой являются биота, атмосфера, океаны и земная кора.
В ее задачи входят поиск и изучение механизмов саморегуляции на планетарном уровне. Геофизиология нацелена на установление связей циклических процессов на клеточно-молекулярном уровне с подобными процессами на других связанных уровнях, таких как организм, экосистемы и планета в целом.