Геофизиологические гипотезы и их подтверждение

Первая гипотеза состояла в том, что Марс является безжизненной планетой (исходя из состава атмосферы) (Lovelock,1972). По мнению Дж. Лавлока, это было подтверждено в ходе полета станции Викинг в 1977г.

В 1971 г. была высказана гипотеза, что живые организмы способны вырабатывать вещества, которые могут переносить существенные элементы с океанов на сушу (Lovelock, 1972;1989). Подтверждение последовало в 1973 г., когда была обнаружена эмиссия диметилсульфида (ДМС) и метилйода из отмирающих планктонных организмов океана. Оказывается, это - единственный известный источник переноса серы и йода из океана на сушу. Кроме того, капельки ДМС служат ядрами конденсации водяных паров, способствуя образованию облаков. Облака локально влияют на микроклимат (ослабляют интенсивность ультрафиолета, пагубно влияющего на живые организмы, способствуют образованию ветра и как следствие - ветровому перемешиванию биогенов, что в свою очередь способствует увеличению продукции водорослей). Сернистые соединения, попадая на сушу, способствуют росту растений, которые ускоряют выщелачивание горных пород. Образующиеся в результате этого процесса биогены смываются в ручьи, реки и в конце концов - в море, способствуя росту продукции водорослей. Выявление подобных, на первый взгляд неожиданных циклически замкнутых причинных цепочек является характерной чертой геофизиологии.

В 1981 г. было высказано предположение, что глобальный климат, возможно, стабилизируется путем саморегуляции цикла двуокиси углерода через биогенное усиление процесса выветривания горных пород (Lovelock, Watson, 1982). В терминах геофизиологии, двуокись углерода является ключевым метаболическим газом Геи, влияющим на климат, продукцию растений и производство свободного атмосферного кислорода. Источником двуокиси углерода в биосфере является вулканическая деятельность. Растворенный в дождевой воде, углекислый газ взаимодействует с вулканическими горными породами, богатыми карбонатами и силикатами (химическое выветривание).

Результаты исследований Т.Фолька и Д.В.Шварцмана, представленные в журнале Nature в 1989 г. подтвердили, что микроорганизмы вместе с растениями в тысячи раз ускоряют выветривание горных пород (В.И.Вернадский обращал внимание на роль биогенного выветривания еще в 30-х годах). Растения всасывают углекислый газ из воздуха в почву, повышая его локальную концентрацию в 10-40 раз. Кроме того, основная масса погибших растений подвергается бактериальному окислению и превращается в двуокись углерода в местах контакта с соединениями кальция, силикатами и водой. Продукты выветривания переносятся речным стоком в океан, где также подключаются живые организмы. Диатомовые водоросли используют кремниевую кислоту, а остальные - бикарбонат кальция для построения своих скелетов. В добавок, океанические водоросли всасывают углекислый газ прямо из воздуха. Отмирающие водоросли формируют меловые известняковые и кремниевые осадочные отложения. Атмосферный углекислый газ создает парниковый эффект. Биота, участвуя в регуляции его концентрации, тем самым регулирует среднюю температуру атмосферы.

Очень важная гипотеза касается регуляции климата путем контроля величины облачного покрова за счет эмиссии водорослями сернистых соединений. Как уже отмечалось выше, выделяемые одноклеточными водорослями сернистые соединения служат ядрами конденсации водяного пара и способствуют образованию облаков. В 1990 г. показано, что облачность над океанами коррелирует с распределением планктона. Альбедо планеты, ее способность отражать солнечную радиацию существенно зависит от плотности и площади облачного покрова. По мнению Дж. Лавлока, в настоящую эпоху, в связи с перегревом атмосферы, вызываемым антропогенным парниковым эффектом, биогенный механизм регуляции облачного покрова приобретает особенно важное значение. В частности, в результате специального комплексного исследования показано, что основной планетарный эффект лесов Амазонии состоит отнюдь не в производстве кислорода (практически весь кислород поглощается местными животными и бактериями), а в охлаждении поверхности Земли за счет увеличения облачного покрова, вызванного испарениями воды.

Цикл другого метаболического газа - кислорода прямо связан с циклом углерода. Чем больше захоранивается углерода, тем больше освобождается атмосферного кислорода. По предположению Дж. Лавлока, один из важных механизмов поддержания концентрации кислорода в атмосфере на уровне 21% связан с тем фактом, что при концентрации кислорода ниже 15% воспламенение древесины невозможно, а при концентрации выше 25%, воспламенение происходит слишком легко и лесные пожары просто уничтожат все леса. Хвойные породы и эвкалипты легко воспламеняются, поэтому пожары включаются в их эволюционную стратегию. Другие виды деревьев и соответствующие типы лесов менее чувствительны к огню. Конкуренция за пространство между разными типами лесов, подобно конкуренции между белыми и черным маргаритками в модели "Daisyworld" (см. ниже) может реализовать петлю глобальной обратной связи, регулирующей концентрацию кислорода в атмосфере.

В процессе проверки находится гипотеза о том, что процент кислорода в атмосфере Земли оставался на уровне 21+_ 5% последние 200 миллионов лет, а также то, что в атмосфере Архейской эры преобладал метан, который временно заместил углекислый газ и поддержал парниковый эффект, необходимый для поддержания благоприятной температуры на поверхности Земли.

Дж.Лавлок не согласен с превалирующей в среде геофизиков идеей "коэволюции" биоты и неживого вещества планеты. Коэволюция предполагает определенную автономию партнеров, а в рамках такой организмоподобной системы как Гея живое и неживое - это лишь условно выделяемые локальным (внутренним) наблюдателем кратковременные переходящие друг в друга состояния единого циклического самопродуцирующегося процесса, напоминающего процессы внутри живой клетки Поэтому Дж. Лавлок не раз отмечал, что Гея - это определенный взгляд на Землю из космоса как на самоподдерживающуюся живую организацию (аутопоэзис). При этом он скорее всего, ошибается, когда в одной из работ относит к приверженцам идеи коэволюции и В.И. Вернадского, который не даром, ввел понятие "живого вещества", придавая ему новый планетарный смысл, выходящий за традиционные биологические рамки. Скорее, к идее коэволюции склонялись Тимофеев-Рессовский и его последователи, трактовавшие биосферу Земли как совокупность биогеосистем, как суперэкосистему (Свирежев,1989). Такая трактовка биосферы - это фактически, - отказ от организмической модели биосферы в пользу популятивной.