De aarde is als een levend organisme! De hypothese van de wetenschapper James Lovelock

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Onze planeet is uniek. Net zoals ieder van ons anders is dan de stenen beelden van de Romeinse goden, is de aarde anders dan Mars, Venus en andere bekende planeten. Laten we het verhaal vertellen van een van misschien wel de meest verbazingwekkende en controversiële hypothesen van onze tijd - de Gaia-hypothese, die ons uitnodigt om naar de aarde te kijken als een levend organisme.

De aarde is ons "slimme huis"

James Ephraim Lovelock vierde afgelopen zomer zijn honderdjarig bestaan. Wetenschapper, uitvinder, ingenieur, onafhankelijk denker, een persoon die niet zozeer bekend staat om zijn uitvindingen als wel om de verbazingwekkende veronderstelling dat de aarde een zelfregulerend superorganisme is dat gedurende het grootste deel van zijn geschiedenis, de laatste drie miljard jaar, gunstige omstandigheden heeft behouden voor het leven aan de oppervlakte…

Genoemd naar Gaia - de godin van de oude Griekse mythologie, die de aarde personifieert - suggereert de hypothese, in tegenstelling tot traditionele wetenschappen, dat het wereldwijde ecosysteem van de planeet zich gedraagt als een biologisch organisme, en niet als een levenloos object dat wordt gecontroleerd door geologische processen.

In tegenstelling tot de traditionele aardwetenschappen stelt Lovelock voor om de planeet niet te beschouwen als een reeks afzonderlijke systemen - de atmosfeer, lithosfeer, hydrosfeer en biosfeer - maar als een enkel systeem, waarbij elk van zijn componenten, zich ontwikkelend en veranderend, de ontwikkeling beïnvloedt. van andere componenten. Bovendien is dit systeem zelfregulerend en heeft het, net als levende organismen, mechanismen met een omgekeerde relatie. In tegenstelling tot andere bekende planeten, behoudt de aarde, door het gebruik van omgekeerde relaties tussen de levende en levenloze werelden, haar klimaat- en omgevingsparameters om een gunstig huis voor levende wezens te blijven.

Vanaf het moment van zijn verschijning werd dit idee terecht bekritiseerd en werd het niet geaccepteerd door de wetenschappelijke gemeenschap, wat echter niet verhindert dat het de verbeelding prikkelt en vele supporters over de hele wereld verzamelt. Ondanks het honderdjarig bestaan, blijft Lovelock nu, zoals het grootste deel van zijn lange leven, onder het vuur van kritiek, de theorie verdedigen, wijzigen en compliceren, blijft werken en zich bezighouden met wetenschappelijke activiteiten.

Is er leven op Mars

Maar voordat James Lovelock zijn aandacht op het leven op aarde richtte, was hij druk op zoek naar leven op Mars. In 1961, slechts vier jaar nadat de USSR de eerste kunstmatige satelliet van onze planeet de ruimte in lanceerde, werd Lovelock uitgenodigd om bij NASA te werken.

Als onderdeel van het Viking-programma was het bureau van plan om twee sondes naar Mars te sturen om de planeet te bestuderen en in het bijzonder te zoeken naar sporen van de vitale activiteit van micro-organismen in de bodem. Het waren de apparaten voor het detecteren van leven, die aan boord van de sondes moesten worden geïnstalleerd, die de wetenschapper ontwikkelde, werkend in Pasadena, in het Jet Propulsion Laboratory, een onderzoekscentrum dat ruimtevaartuigen voor NASA maakt en onderhoudt. Trouwens, hij werkte letterlijk zij aan zij - in hetzelfde kantoor - met de beroemde astrofysicus en popularisator van de wetenschap Karl Sagan.

Zijn werk was niet puur techniek. Biologen, natuurkundigen en chemici werkten met hem samen. Dit stelde hem in staat om halsoverkop in experimenten te duiken om manieren te vinden om leven te detecteren en het probleem van alle kanten te bekijken.

Als gevolg daarvan vroeg Lovelock zich af: "Als ik zelf op Mars was, hoe zou ik dan kunnen begrijpen dat er leven op aarde is?" En hij antwoordde: "Volgens haar atmosfeer, die elke natuurlijke verwachting tart."Vrije zuurstof maakt 20 procent van de atmosfeer van de planeet uit, terwijl de wetten van de chemie zeggen dat zuurstof een zeer reactief gas is - en dat alles moet gebonden zijn in verschillende mineralen en gesteenten.

Lovelock concludeerde dat het leven - microben, planten en dieren, die constant materie in energie metaboliseren, zonlicht omzetten in voedingsstoffen, gas vrijgeven en absorberen - de atmosfeer van de aarde maakt tot wat het is. Daarentegen is de atmosfeer van Mars vrijwel dood en in een laag-energetisch evenwicht met bijna geen chemische reacties.

In januari 1965 werd Lovelock uitgenodigd voor een cruciale bijeenkomst over de zoektocht naar leven op Mars. Ter voorbereiding op een belangrijke gebeurtenis las de wetenschapper een kort boek van Erwin Schrödinger "What is Life". Diezelfde Schrödinger - een theoretisch fysicus, een van de grondleggers van de kwantummechanica en de auteur van het bekende gedachte-experiment. Met dit werk leverde de natuurkundige een bijdrage aan de biologie. De laatste twee hoofdstukken van het boek bevatten Schrödingers beschouwingen over de aard van het leven.

Schrödinger ging uit van de veronderstelling dat een levend organisme in het proces van bestaan voortdurend zijn entropie verhoogt - of, met andere woorden, positieve entropie produceert. Hij introduceert het concept van negatieve entropie, die levende organismen van de omringende wereld moeten ontvangen om de groei van positieve entropie te compenseren, wat leidt tot thermodynamisch evenwicht en dus tot de dood. In eenvoudige zin is entropie chaos, zelfvernietiging en zelfvernietiging. Negatieve entropie is wat het lichaam eet. Volgens Schrödinger is dit een van de belangrijkste verschillen tussen leven en levenloze natuur. Een levend systeem moet entropie exporteren om zijn eigen entropie laag te houden.

Dit boek inspireerde Lovelock tot de vraag: "Zou het niet gemakkelijker zijn om naar leven op Mars te zoeken, op zoek naar lage entropie als een planetaire eigenschap, dan om in regoliet te graven op zoek naar Mars-organismen?" In dit geval is een eenvoudige atmosferische analyse met behulp van een gaschromatograaf voldoende om lage entropie te vinden. Daarom adviseerde de wetenschapper NASA om geld te besparen en de Viking-missie te annuleren.

Naar de sterren

James Lovelock werd geboren op 26 juli 1919 in Letchworth, een klein stadje in Hertfordshire in het zuidoosten van Engeland. Deze stad, gebouwd in 1903 op 60 kilometer van Londen en maakt deel uit van de groene gordel, was de eerste nederzetting in het Verenigd Koninkrijk, gesticht volgens het stedelijke concept van de "tuinstad". Aan het begin van de vorige eeuw was het het idee dat veel landen veroverde over de megasteden van de toekomst, die de beste eigenschappen van een stad en een dorp zouden combineren. James werd geboren in een arbeidersgezin, zijn ouders hadden geen opleiding, maar ze deden er alles aan om hun zoon die te laten krijgen.

In 1941 studeerde Lovelock af aan de Universiteit van Manchester - een van de toonaangevende Britse universiteiten van de beroemde "Red Brick Universities". Daar studeerde hij bij professor Alexander Todd, een uitstekende Engelse organische chemicus, Nobelprijswinnaar voor de studie van nucleotiden en nucleïnezuren.

In 1948 ontving Lovelock zijn MD van het London Institute of Hygiene and Tropical Medicine. Tijdens deze periode van zijn leven houdt de jonge wetenschapper zich bezig met medisch onderzoek en vindt hij de apparaten uit die nodig zijn voor deze experimenten.

Lovelock onderscheidde zich door een zeer humane houding ten opzichte van proefdieren - tot het punt dat hij klaar was om experimenten op zichzelf uit te voeren. In een van zijn onderzoeken zochten Lovelock en andere wetenschappers naar de oorzaak van schade aan levende cellen en weefsels tijdens bevriezing. De proefdieren - de hamsters waarop het experiment werd uitgevoerd - moesten worden ingevroren, opgewarmd en weer tot leven gebracht.

Maar als het bevriezingsproces relatief pijnloos was voor dieren, suggereerde ontdooien dat de knaagdieren hete eetlepels op hun borst moesten leggen om hun hart te verwarmen en het bloed door het lichaam te laten circuleren. Het was een uiterst pijnlijke ingreep. Maar in tegenstelling tot Lovelock hadden zijn collega-biologen geen medelijden met laboratoriumknaagdieren.

Toen vond de wetenschapper een apparaat uit dat bijna alles had wat je van een gewone magnetron kunt verwachten - in feite was dit het. Je zou er een bevroren hamster in kunnen zetten, een timer instellen en na een bepaalde tijd werd hij wakker. Op een dag warmde Lovelock uit nieuwsgierigheid zijn lunch op dezelfde manier op. Hij dacht er echter niet aan om op tijd een octrooi op zijn uitvinding te krijgen.

In 1957 vindt Lovelock de elektronenvangstdetector uit, een buitengewoon gevoelig apparaat dat een revolutie teweegbracht in de meting van ultralage concentraties van gassen in de atmosfeer en in het bijzonder bij de detectie van chemische verbindingen die een bedreiging vormen voor het milieu.

Eind jaren vijftig werd het apparaat gebruikt om aan te tonen dat de atmosfeer van de planeet vol was met residuen van het pesticide DDT (dichloordifenyltrichloorethaan). Dit uiterst effectieve en gemakkelijk te verkrijgen bestrijdingsmiddel wordt sinds de Tweede Wereldoorlog op grote schaal gebruikt. Voor de ontdekking van zijn unieke eigenschappen kreeg de Zwitserse chemicus Paul Müller in 1948 de Nobelprijs voor de geneeskunde. Deze onderscheiding werd niet alleen toegekend voor de geredde gewassen, maar ook voor de miljoenen geredde levens: DDT werd tijdens de oorlog gebruikt om malaria en tyfus onder burgers en militairen te bestrijden.

Pas tegen het einde van de jaren 50 werd de aanwezigheid van een gevaarlijk pesticide bijna overal op aarde ontdekt - van pinguïnlever op Antarctica tot moedermelk van moeders die borstvoeding geven in de Verenigde Staten.

De detector leverde nauwkeurige gegevens voor het boek "Silent Spring" uit 1962, geschreven door de Amerikaanse ecoloog Rachel Carson, dat de internationale campagne lanceerde om het gebruik van DDT te verbieden. Het boek beweerde dat DDT en andere pesticiden kanker veroorzaakten en dat het gebruik ervan in de landbouw een bedreiging vormde voor dieren in het wild, met name vogels. De publicatie was een mijlpaal in de milieubeweging en veroorzaakte een brede publieke verontwaardiging, wat uiteindelijk leidde tot het verbod op het gebruik van DDT in de landbouw in de Verenigde Staten en vervolgens over de hele wereld in 1972.

Even later, nadat hij bij NASA was gaan werken, reisde Lovelock naar Antarctica en ontdekte met behulp van zijn detector de alomtegenwoordige aanwezigheid van chloorfluorkoolwaterstoffen - kunstmatige gassen waarvan nu bekend is dat ze de stratosferische ozonlaag afbreken. Beide ontdekkingen waren buitengewoon belangrijk voor de milieubeweging van de planeet.

Dus toen de US Aeronautics and Space Administration haar maan- en planetaire missies aan het begin van de jaren zestig plantte en op zoek ging naar iemand die gevoelige apparatuur kon maken die de ruimte in kon worden gestuurd, wendden ze zich tot Lovelock. Van kinds af aan gefascineerd door sciencefiction, nam hij het aanbod met enthousiasme aan en kon hij natuurlijk niet weigeren.

Planeten levend en dood

Werken bij het Jet Propulsion Laboratory bood Lovelock een uitstekende gelegenheid om het eerste bewijs te ontvangen van de aard van Mars en Venus, uitgezonden door ruimtesondes. En dit waren ongetwijfeld volledig dode planeten, opvallend verschillend van onze bloeiende en levende wereld.

De aarde heeft een atmosfeer die thermodynamisch onstabiel is. Gassen zoals zuurstof, methaan en kooldioxide worden in grote hoeveelheden geproduceerd, maar bestaan naast elkaar in een stabiel dynamisch evenwicht.

De vreemde en onstabiele atmosfeer die we inademen, vereist iets op het aardoppervlak dat continu grote hoeveelheden van deze gassen kan synthetiseren en tegelijkertijd uit de atmosfeer kan verwijderen. Tegelijkertijd is het klimaat op aarde behoorlijk gevoelig voor de overvloed aan polyatomaire gassen zoals methaan en koolstofdioxide.

Lovelock ontwikkelt geleidelijk een idee van de regulerende rol van dergelijke cycli van stoffen in de natuur - naar analogie met metabolische processen in het lichaam van een dier. En bij deze processen is het aardse leven betrokken, dat volgens de theorie van Lovelock er niet alleen aan deelneemt, maar ook leerde de noodzakelijke bestaansvoorwaarden voor zichzelf te handhaven, nadat het een vorm van wederzijds voordelige samenwerking met de planeet was aangegaan.

En als dit in eerste instantie allemaal pure speculatie was, kreeg Lovelock in 1971 de gelegenheid om dit onderwerp te bespreken met de uitstekende bioloog Lynn Margulis, de maker van de moderne versie van de theorie van symbiogenese en de eerste vrouw van Carl Sagan.

Margulis was co-auteur van de Gaia-hypothese. Ze suggereerde dat micro-organismen een verbindende rol zouden moeten spelen op het gebied van interactie tussen leven en planeet. Zoals Lovelock opmerkte in een van zijn interviews: "Het zou eerlijk zijn om te zeggen dat ze vlees in de botten van mijn fysiologische concept van een levende planeet heeft gestopt."

Vanwege de nieuwheid van het concept en de inconsistentie met traditionele wetenschappen, had Lovelock een korte en gedenkwaardige naam nodig. Het was toen, in 1969, een vriend en buurman van de wetenschapper, natuurkundige en schrijver, Nobelprijswinnaar, evenals de auteur van de roman Lord of the Flies, William Golding, voorgesteld om dit idee Gaia te noemen - ter ere van de oude Griekse godin van de aarde.

Hoe het werkt

Volgens het concept van Lovelock is de evolutie van het leven, dat wil zeggen de totaliteit van alle biologische organismen op de planeet, zo nauw verbonden met de evolutie van hun fysieke omgeving op wereldschaal dat ze samen één enkel zelfontwikkelend systeem vormen met zichzelf -regulerende eigenschappen vergelijkbaar met de fysiologische eigenschappen van een levend organisme.

Het leven past zich niet alleen aan aan de planeet: het verandert het voor zijn eigen doeleinden. Evolutie is een paardans waarin alles wat leeft en levenloos ronddraait. Uit deze dans komt de essentie van Gaia naar voren.

Lovelock introduceert het concept van geofysiologie, wat een systeembenadering van aardwetenschappen impliceert. Geofysiologie wordt gepresenteerd als een synthetische aardwetenschap die de eigenschappen en ontwikkeling van een integraal systeem bestudeert, waarvan de nauw verwante componenten biota, atmosfeer, oceanen en de aardkorst zijn.

Haar taken omvatten het zoeken en bestuderen van zelfreguleringsmechanismen op planetair niveau. Geofysiologie wil verbanden leggen tussen cyclische processen op cellulair-moleculair niveau met vergelijkbare processen op andere verwante niveaus, zoals het organisme, ecosystemen en de planeet als geheel.

In 1971 werd gesuggereerd dat levende organismen stoffen kunnen produceren die regulerende betekenis hebben voor het klimaat. Dit werd bevestigd toen in 1973 de emissie van dimethylsulfide door stervende planktonische organismen werd ontdekt.

Druppels dimethylsulfide die de atmosfeer binnenkomen, dienen als condensatiekernen van waterdamp, waardoor wolken worden gevormd. De dichtheid en het gebied van bewolking hebben een aanzienlijke invloed op het albedo van onze planeet - het vermogen om zonnestraling te reflecteren.

Tegelijkertijd, terwijl ze samen met de regen op de grond vallen, bevorderen deze zwavelverbindingen de groei van planten, die op hun beurt het uitlogen van rotsen versnellen. De door uitspoeling gevormde biogenen worden in rivieren gespoeld en komen uiteindelijk in de oceanen terecht, wat de groei van planktonalgen bevordert.

De reiscyclus van dimethylsulfide is gesloten. Ter ondersteuning hiervan werd in 1990 ontdekt dat bewolking boven de oceanen correleert met de verspreiding van plankton.

Volgens Lovelock wordt het biogene mechanisme van regulatie van de bewolking tegenwoordig, wanneer de atmosfeer oververhit raakt als gevolg van menselijke activiteit, uiterst belangrijk.

Een ander regulerend element van Gaia is koolstofdioxide, dat door de geofysiologie wordt beschouwd als een belangrijk metabolisch gas. Klimaat, plantengroei en productie van vrije luchtzuurstof zijn afhankelijk van de concentratie. Hoe meer koolstof wordt opgeslagen, hoe meer zuurstof er vrijkomt in de atmosfeer.

Door de concentratie van koolstofdioxide in de atmosfeer te beheersen, reguleert biota daarmee de gemiddelde temperatuur van de planeet. In 1981 werd gesuggereerd dat een dergelijke zelfregulering plaatsvindt door middel van biogene verbetering van het verweringsproces van gesteenten.

Lovelock vergelijkt de moeilijkheid om de processen die op de planeet plaatsvinden te begrijpen met de moeilijkheid om de economie te begrijpen. De 18e-eeuwse econoom Adam Smith is het best bekend voor het introduceren van het concept van de 'onzichtbare hand' in de wetenschap, waardoor ongebreideld commercieel eigenbelang op de een of andere manier werkt voor het algemeen welzijn.

Zo is het ook met de planeet, zegt Lovelock: toen ze 'volwassen' werd, begon ze de omstandigheden te handhaven die geschikt waren voor het bestaan van leven, en de 'onzichtbare hand' was in staat om de uiteenlopende belangen van organismen te richten op de gemeenschappelijke zaak van het in stand houden van deze voorwaarden.

Darwin versus Lovelock

Gaia: een nieuwe kijk op het leven op aarde, gepubliceerd in 1979, werd een bestseller. Het werd goed ontvangen door milieuactivisten, maar niet door wetenschappers, van wie de meesten de ideeën die het bevatte verwierpen.

Richard Dawkins, een gerenommeerde criticus van creationisme en intelligent design, professor aan de Universiteit van Oxford en auteur van The Selfish Gene, veroordeelde Gaia's theorie als een "zeer gebrekkige" ketterij tegen het basisprincipe van de darwinistische natuurlijke selectie: "de sterkste overleeft". Toch, omdat Gaia's theorie stelt dat dieren, planten en micro-organismen niet alleen concurreren, maar ook samenwerken om het milieu in stand te houden.

Toen Gaia's theorie voor het eerst werd besproken, behoorden darwinistische biologen tot haar felste tegenstanders. Ze voerden aan dat de samenwerking die nodig is voor de zelfregulering van de aarde nooit kan worden gecombineerd met de concurrentie die nodig is voor natuurlijke selectie.

Naast de essentie zorgde ook de naam, ontleend aan de mythologie, voor ontevredenheid. Dit alles leek op een nieuwe religie, waarbij de aarde zelf het onderwerp van vergoddelijking werd. De getalenteerde polemist Richard Dawkins daagde Lovelocks theorie uit met dezelfde energie die hij later gebruikte in relatie tot het concept van het bestaan van God.

Lovelock weerlegde hun kritiek met bewijs van zelfregulering, verzameld uit zijn onderzoek en wiskundige modellen die illustreerden hoe zelfregulering van het planetaire klimaat werkt. Gaia's theorie is een top-down, fysiologische kijk op het systeem van de aarde. Ze ziet de aarde als een dynamisch reagerende planeet en legt uit waarom deze zo anders is dan Mars of Venus.

De kritiek was vooral gebaseerd op de misvatting dat de nieuwe hypothese antidarwiniaans was.

"Natuurlijke selectie is gunstig voor versterkers," zei Lovelock. Zijn theorie geeft alleen details over de theorie van Darwin, wat impliceert dat de natuur de voorkeur geeft aan organismen die het milieu in een betere staat achterlaten zodat het nageslacht kan overleven.

Die soorten levende wezens die het milieu negatief beïnvloeden, het minder geschikt maken voor het nageslacht en uiteindelijk van de planeet worden verdreven - evenals zwakkere, evolutionair onaangepaste soorten, betoogde Lovelock.

Copernicus wacht op zijn Newton

Samenvattend moet worden gezegd dat het wetenschappelijke concept van de aarde als een integraal levend systeem, een levend superorganisme, sinds de 18e eeuw is ontwikkeld door naturalistische wetenschappers en denkers. Dit onderwerp werd besproken door de vader van de moderne geologie en geochronologie James Hutton, natuurwetenschapper die de wereld de term "biologie" gaf Jean-Baptiste Lamarck, natuuronderzoeker en reiziger, een van de grondleggers van de geografie als een onafhankelijke wetenschap, Alexander von Humboldt.

In de twintigste eeuw werd het idee ontwikkeld in een wetenschappelijk onderbouwd concept van de biosfeer van de vooraanstaande Russische en Sovjet-wetenschapper en denker Vladimir Ivanovitsj Vernadsky. In zijn wetenschappelijke en theoretische deel is het concept van Gaia vergelijkbaar met de "Biosfeer". In de jaren 70 van de vorige eeuw was Lovelock echter nog niet bekend met de werken van Vernadsky. In die tijd waren er geen succesvolle vertalingen van zijn werk in het Engels: zoals Lovelock het uitdrukte, zijn Engelssprekende wetenschappers traditioneel "doof" om in andere talen te werken.

Lovelock houdt, net als zijn oude collega Lynn Margulis, niet langer vol dat Gaia een superorganisme is. Tegenwoordig erkent hij dat zijn term 'organisme' in veel opzichten slechts een nuttige metafoor is.

Charles Darwins concept van 'overlevingsstrijd' kan echter om dezelfde reden als een metafoor worden beschouwd. Tegelijkertijd weerhield dit de darwinistische theorie er niet van de wereld te veroveren. Metaforen zoals deze kunnen het wetenschappelijk denken stimuleren en ons steeds verder op het pad van kennis brengen.

Tegenwoordig is de Gaia-hypothese een aanzet geworden voor de ontwikkeling van een moderne versie van de systemische organismische wetenschap van de aarde - geofysiologie. Misschien wordt het na verloop van tijd de synthetische biosfeerwetenschap waarvan Vernadsky ooit droomde te creëren. Nu is het op weg om een traditioneel, algemeen erkend kennisgebied te worden en te transformeren.

Het is geen toeval dat de eminente Britse evolutiebioloog William Hamilton - de mentor van een van de meest wanhopige critici van de theorie, Richard Dawkins, en de auteur van de uitdrukking "het egoïstische gen" die door laatstgenoemde in de titel van zijn boek wordt gebruikt - genaamd James Lovelock "Copernicus in afwachting van zijn Newton".