Вопрос № 1

Как соотносится концепция биотической регуляции окружающей среды с гипотезой Гея Дж. Ловелока?
Ответ опубликован 6 июля 2003.
Автор вопроса: анонимный.
Вопрос задан 6 июля 2003.

В конце 60-х – начале 70-х годов двадцатого века английский ученый Дж. Ловелок указал на то, что атмосфера Земли находится вдали от динамического физико-химического равновесия, определяемого потоком падающего солнечного излучения. Он предположил, что существующие на Земле неравновесные параметры окружающей среды поддерживаются в благоприятном для жизни состоянии самой жизнью. Согласно выдвинутой Дж. Ловелоком гипотезе, получившей название "гипотеза Гея" (Lovelock, 1982; 1995), Земля представляет собой единый живой суперорганизм, который способен на временном масштабе порядка сотен миллионов лет компенсировать неблагоприятные для жизни геофизические и космические изменения окружающей среды, происходящие, например, в результате фильтрации веществ из недр Земли или изменения солнечной активности.

1. Ошибочность гипотезы Гея

Ошибочность гипотезы Гея состоит в игнорировании того принципиального факта, что ни один вид живых объектов (от одноклеточных и многоклеточных организмов до социальных и экологических сообществ, которым можно было бы присвоить название "суперорганизмов") не существует в единственном числе.

Живую материю от неживой отличает беспрецедентная сложность организации (накопленный запас информации), которая на двадцать порядков (т.е. в единицу с двадцатью нулями раз) превосходит сложность, или запас информации, любых физических процессов в природе (Горшков, Макарьева, 2001; Горшков и др., 2002). Для поддержания этой фантастической упорядоченности используется особый механизм:

Живая материя существует в виде наборов (популяций) однородных объектов (особей). Внутри каждого набора живые объекты конкурентно взаимодействуют между собой. Объекты, потерявшие исходный уровень упорядоченности, теряют конкурентоспособность, вытесняются из популяции и заменяются на копии (потомков) нормальных объектов.

Такой способ поддержания упорядоченности уникален для жизни и отличает живую материю от неживой.

Биотическая регуляция окружающей среды представляет собой сложный информационно-емкий процесс. Информация об организации и функционирования живых объектов, осуществляющих биотическую регуляцию, записана на молекулярном уровне в геномах биологических видов. В отсутствие популяции и, как следствие, конкурентного взаимодействия происходит необратимый распад генетической информации биоты. Поэтому регуляция окружающей среды не может в течение длительного времени осуществляться Геей — суперорганизмом, существующим в единственном числе.

2. Гипотеза Гея и традиционная биологическая наука

Распространение гипотезы Гея, содержащей вышеназванное противоречие, во многом послужило дискредитации идеи биотического контроля окружающей среды в традиционной биологической науке (Doolittle, 1981; Dawkins, 1982; Baerlocher, 1990; Saunders, 1994; Robertson, Robinson, 1998). Если глобальная биота представляет собой не один организм, а набор конкурирующих объектов (в традиционной биологии эти объекты — отдельные организмы, в концепции биотической регуляции — локальные экологические сообщества), как же могут регулироваться глобальные условия окружающей среды?

Действительно, предположим, что планета первоначально заселена живыми объектами, каждый из которых тратит часть своей энергии на стабилизацию некоторой глобальной характеристики окружающей среды, например газового состава атмосферы. При этом воздух на планете остается устойчиво чистым, парниковый эффект — нормальным и т.д.

В ходе спонтанного распада генетической информации живых объектов постоянно появляются различные мутанты. Предположим, что в конечном счете появляется мутант, не желающий (или неспособный) тратить свою энергию на поддержание устойчивого газового состава атмосферы. Это приводит к тому, что мощность глобального регуляторного потенциала биоты осблабляются и глобальные атмосферные характеристики начинают ухудшаться (например, концентрация углекислого газа становится выше (или ниже) оптимальной). За счет сильного атмосферного перемешивания окружающая среда ухудшается для всех объектов, населяющих планету, включая и мутантов, и нормальных. Все объекты оказываются в равных условиях. Поэтому мутант, не регулирующий окружающую среду, не теряет конкурентоспособности и не вытесняется из популяции. (Так, при плановой экономике за счет выравнивания доходов и работающие, и тунеядцы получают одинаковую зарплату и имеют одинаковую экономическую конкурентоспособность). Напротив, такой "не работающий" мутант может тратить всю свою энергию на конкурентное взаимодействие и вытеснять нормальных "работающих" соседей, которые продолжают расходовать часть своей энергии на регуляцию окружающей среды.

Ничто не может помешать повсеместному распространению подобных мутантов. В конечном счете это приведет к прекращению биотической регуляции в глобальном масштабе. После этого глобальные условия окружающей среды, оставленные без контроля, деградируют до состояния, непригодного для жизни.

Характерные времена генетического распада (т.е. появления "не работающих" мутантов) ничтожно малы в сравнении с геологическими масштабами времени. Следовательно, согласно традиционной биологической науке, биотическая регуляция глобальной окружающей среды не может существовать в течение сколько-нибудь продолжительного геологического периода времени.

Как же быть с эмпирическими данными, однозначно указывающими на существование такой биотической регуляции? Игнорируя их, традиционная биологическая наука приходит к противоречию, будучи неспособной объяснить существование приемлемых для жизни условий окружающей среды в течение последних четырех миллиардов лет. Гипотеза Гея, со своей стороны, пытается объяснить такую устойчивость, но приходит к противоречию с основными принципами организации жизни, описанными в пункте 1.

3. Разрешение противоречий в концепции биотической регуляции

Концепция биотической регуляции снимает вышеназванные противоречия.

Фундаментальным новым понятием, которое вводится в концепции биотической регуляции, является чувствительность биоты. Регулирующие окружающую среду объекты могут реагировать на изменение состояния окружающей среды только в том случае, когда последнее превосходит величину чувствительности биоты.

Проведенные расчеты позволяют оценить величину чувствительности биоты универсальной величиной порядка 0.0001. Например, если концентрация углекислого газа отклонится от оптимума, скажем, на 1% (0.01 > 0.0001), биота это заметит и будет компенсировать такое изменение, а если отклонение составит всего одну тысячную процента (0.00001 < 0.0001), то биота не заметит такого изменения и не будет на него реагировать.

Процессы перемешивания атмосферы приводят к тому, что все живые объекты, независимо от того, регулируют они окружающую среду или нет, находятся, казалось бы, в равных условиях. Как показано выше, именно этот факт не позволяет конкурентному взаимодействию эффективно устранять мутантов, потерявших способность к регуляции.

Решение проблемы заключено в словах "казалось бы". Если мощности нормального (т.е. регулирующего окружающую среду) объекта хватает для того, чтобы, несмотря на перемешивание, поддерживать свое локальное значение глобальной характеристики окружающей среды существенно (т.е. на величину, превышающую чувствительность биоты) ближе к оптимуму, чем у нерегулирующего мутанта, то такой объект будет более конкурентоспособен, чем мутант, и вытеснит последнего из популяции. И это несмотря на то, что условия окружающей среды у нормального объекта и у мутанта будут одинаковыми с высокой относительной точностью (до 0.0001) и могут сильно отклоняться от оптимума.

Поясним сказанное на гипотетическом примере. Пусть регулирующими окружающую среду объектами будут деревья, а регулируемой глобальной характеристикой — концентрация углекислого газа. Представим себе, что в результате какого-то внешнего фактора (например, вулканического выброса или действий человека) оптимальная концентрация углекислого газа в атмосфере была превышена в десятки раз. Все деревья планеты оказались в примерно равных неблагоприятных для себя условиях. Нормальные деревья сразу же стали работать в направлении уменьшения атмосферной концентрации углекислого газа. Это можно сделать, например, путем депонирования избыточного углерода в органическом виде в почве. Деревья-мутанты никак не отреагировали на неблагоприятные изменения окружающей среды.

Мощность биологической продуктивности деревьев такова, что они способны создавать внутреннюю атмосферу кроны, в которой концентрация углекислого газа может на несколько процентов отличаться от средней атмосферной концентрации вне кроны дерева. Таким образом, несмотря на перемешивание атмосферы, локальная концентрация углекислого газа у нормальных деревьев будет на несколько процентов ближе к оптимальной для биоты, чем у деревьев-мутантов, не регулирующих окружающую среду. Нормальные деревья, сохраняющие способность к биотической регуляции, окажутся, таким образом, в более благоприятных условиях, чем мутанты, и смогут вытеснить последних из популяции.

В результате, вся поверхность рассматриваемой гипотетической планеты оказывается покрыта нормальными деревьями, которые будут работать в направлении уменьшения глобальной концентрации углекислого газа до тех пор, пока последняя не станет неотличима от оптимальной в пределах чувствительности биоты.

4. Нарушенная и ненарушенная биота

В действительности объектами, способными к осуществлению регуляции окружающей среды, являются не отдельные организмы, как деревья в рассмотренном выше гипотетическом примере, а локальные экологические сообщества, имеющие конечные размеры. В лесной зоне локальное экологическое сообщество состоит из отдельного дерева и ассоциированных с ним растений и животных (подпологовая растительность (мхи, кустарнички), грибы, бактерии, насекомые и проч.). Внутренняя упорядоченность локальных экологических сообществ поддерживается в ходе их конкурентного взаимодействия между собой. Именно локальные экологические сообщества современной биосферы оказываются способными осуществлять все многообразие реакций на изменения окружающей среды, которые необходимы для поддержания окружающей среды в оптимальном состоянии.

Поэтому разрушение регуляторного потенцала биоты может происходить не только за счет генетического распада (т.е. появления мутантов внутри отдельных видов, как это происходит, например, в ходе искусственного отбора и генетической модификации растений и животных). Оно так же может происходить за счет нарушения человеком структуры экологического сообщества путем изменения естественных значений плотности численности организмов различных видов. Так, например, на сельскохозяйственных угодьях человек может полностью уничтожить естественные виды растений и заменить их на используемые им монокультуры.

Поскольку биотическая регуляция окружающей среды представляет собой сложнейший высокоорганизованный процесс, она может осуществляться только ненарушенной биотой. (Аналогично, любой сложный механизм может работать только в том случае, если он собран из строго определенного количества строго определенных деталей). Нарушенная человеком биота, при условии сохранения ее высокой продуктивности, способствует быстрой деградации окружающей среды.

Фундаментальное различие между функционированием нарушенной и ненарушенной биотой в гипотезе Гея игнорируется.

В рамках концепции биотической регуляции на основании анализа глобального круговорота углерода количественно оценен глобальный регуляторный потенциал ненарушенной биоты. В частности, количественно определено, как необходимо изменить пропорцию между нарушенными и ненарушенными участками суши (с увеличением последних) для того, чтобы остановить накопление углекислого газа в атмосфере при современной скорости сжигания ископаемого топлива (Gorshkov, Makarieva, 1998; Gorshkov et al., 2000, Глава 6, с. 170).

5. Характерные временные масштабы

В рамках гипотезы Гея традиционно рассматриваются медленные процессы, изменяющие окружающую среду Земли. Например, скорость фильтрации углекислого газа из недр планеты такова, что она могла бы привести к удвоению концентрации углекислого газа в атмосфере лишь за времена порядка сотен тысяч лет. Еще медленнее, на временных масштабах порядка сотен миллионов лет, изменяется (увеличивается) на величину порядка одного процента солнечная постоянная (т.е. среднее количество солнечной энергии, поступающее за одну секунду на квадратный метр поверхности Земли). Поэтому из гипотезы Гея следует, что даже мгновенное полное уничтожение глобальной биоты привело бы к неблагоприятным для человека изменениям глобальной окружающей среды лишь в практически бесконечно отдаленном будущем (см., например, Schwartzman, 1999).

В рамках концепции биотической регуляции показано, что подобное заключение в корне неверно. Скорости изменения условий окружающей среды под воздействием нарушенной человеком биоты на много порядков превосходят скорости аналогичных геофизических процессов. Так, в частности, за счет разложения органического вещества в процессе дыхания, при котором, как известно, выделяется углекислый газ, живые организмы Земли, не будь они организованы в ненарушенные экологические сообщества, способны были бы удвоить концентрацию углекислого газа в атмосфере за десять (а не за сотни тысяч) лет.

В ненарушенной биоте этого не происходит, так как любое отклонение концентрации от оптимума немедленно компенсируется биотой (в частности, за счет функционирования растений). В нарушенной биоте такого контроля нет. Поэтому процессы деградации окружающей среды под воздействием нарушенной биоты происходят с высокой скоростью. В качестве примера можно привести обеднение эксплуатируемых почв, происходящее, в частности, за счет того, что на эксплуатируемых участках скорость синтеза органического вещества почвы намного меньше скорости его разложения. Известно, что временные масштабы эрозии почв и опустынивания имеют порядок нескольких десятков лет, т.е. могут происходить за время жизни одного поколения.

Современный климат Земли, как показано в концепции биотической регуляции, физически неустойчив (Gorshkov et al., 2000; Макарьева,Горшков, 2001; Gorshkov, Makarieva, 2002). Неблагоприятные изменения среднеглобальной приземной температуры, приводящие к необратимому подрыву базы питания человечества, могут также произойти за несколько десятков лет.

В отличие от гипотезы Гея, концепция биотической регуляции количественно доказывает, что сохранение ненарушенной биоты на глобально значимых площадях жизненно важно для ныне живущих людей и их прямых потомков.

Цитированная литература

Baerlocher F. (1990) The Gaia hypothesis: A fruitful fallacy? Experientia, 46, 232-238.

Dawkins R. (1982) The Extended Phenotype. W. H. Freeman & Co., Oxford, 307 pp.

Doolittle W.F. (1981) Is nature really Motherly? CoEvolution Quaterly, 29, 58-63

Gorshkov V.G., Makarieva A.M. (1998) Impact of terrestrial and oceanic biota on the modern carbon and oxygen cycles. Экологическая химия, 7(2), 129-137. Аннотация (рус.), полный англ. текст PDF, текстовая версия: 240 Кб; оттиск статьи (с подписями к рисункам на русском яз.): 1.22 Mb.

Gorshkov V.G., Gorshkov V.V., Makarieva A.M. (2000) Biotic Regulation of the Environment: Key Issue of Global Change. Springer-Praxis Series in Environmental Sciences, Springer-Verlag, London, 367 pp. Содержание, главы 1, 3, 4, 6.

Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2002) Зависимость парникового эффекта от атмосферных концентраций парниковых веществ и природа устойчивости климата Земли. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 2, 289-337. [на англ. яз.] Аннотация. PDF (0.3 Мб). Screen version (0.5 Mb).

Lovelock J. (1982) Gaia. A New Look at Life on Earth. Oxford Univ. Press, New York, 157 pp.

Lovelock J.E. (1995) The Ages of Gaia. A Biography of Our Living Earth. W.W. Norton and Co., New York, 255 pp.

Robertson D., Robinson J. (1998) Darwinian Daisyworld. J. theor. Biol., 166, 365-373.

Saunders P.T. (1994) Evolution without natural selection: further implications of the Daisyworld parable. J. theor. Biol., 166, 365-273

Schwartzman D. (1999) Life, Temperature, and the Earth: The Self-organizing Biosphere. Columbia Univ. Press, New York, 241 pp.

Robertson D., Robinson J. (1998) Darwinian Daisyworld. J. theor. Biol., 166, 365-373.

Saunders P.T. (1994) Evolution without natural selection: further implications of the Daisyworld parable. J. theor. Biol., 166, 365-273

Schwartzman D. (1999) Life, Temperature, and the Earth: The Self-organizing Biosphere. Columbia Univ. Press, New York, 241 pp.

Горшков В.Г. (1986) Биологическая и физическая регуляция круговоротов веществ. Изв. ВГО, 118(1), 20-28.

Горшков В.Г. (1995) Физические и биологические основы устойчивости жизни. М.: ВИНИТИ, 470 с.

Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2001) К вопросу о возможности физической самоорганизации биологических и экологических систем. Доклады РАН, 378(4), 570-573. Полный текст (PDF, 0.3 Мб).

Горшков В.В., Горшков В.Г., Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С., Макарьева А.М. (2002) Информация в живой и неживой природе. Экология, № 3 (2002), 163-169. Аннотация. PDF (0.1 Мб).

Макарьева А.М., Горшков В.Г. (2001) Парниковый эффект и проблема устойчивости среднеглобальной температуры земной поверхности. Доклады РАН, 376(6), 810-814. Полный текст (PDF, 0.7 Мб).