Ipoteza Gaia: Cum se apără Pământul de acțiunile destructive ale oamenilor

Ipoteza Gaia susține că Pământul este un sistem complex de auto-reglare care implică biosfera, atmosfera, hidrosferele și pedosfera, strâns cuplate ca un sistem în evoluție. Ipoteza susține că acest sistem în ansamblu, numit Gaia, caută un mediu fizic și chimic optim pentru viața contemporană.

Gaia evoluează printr-un sistem de feedback cibernetic operat inconștient de biotă, ducând la o stabilizare largă a condițiilor de locuință într-o homeostază completă. Multe procese de pe suprafața Pământului, esențiale pentru condițiile vieții, depind de interacțiunea formelor vii, în special a microorganismelor, cu elementele anorganice. Aceste procese stabilesc un sistem global de control care reglează temperatura suprafeței Pământului, compoziția atmosferei și salinitatea oceanului, alimentat de starea globală de dezechilibru termodinamic a sistemului Pământului.

Existența unei homeostazii planetare influențate de formele vii a fost observată anterior în domeniul biogeochimiei și este investigată și în alte domenii, cum ar fi știința sistemului Pământ. Originalitatea ipotezei Gaia se bazează pe aprecierea faptului că un astfel de echilibru homeostatic este urmărit activ cu scopul de a păstra condițiile optime pentru viață, chiar și atunci când evenimentele terestre sau externe le amenință.

Reglarea temperaturii globale a suprafeței

(Graficele paleotemperaturii lui Rob Rohde. )

De când a început viața pe Pământ, energia furnizată de Soare a crescut cu 25% până la 30%; totuși, temperatura suprafeței planetei a rămas în interiorul nivelurilor locuibile, atingând marje destul de regulate, scăzute și mari. Lovelock a mai emis ipoteza că metanogenii au produs niveluri ridicate de metan în atmosfera timpurie, oferind o viziune similară cu cea găsită în smogul petrochimic, similară în unele privințe cu atmosfera de pe Titan. Acesta sugerează că a avut tendința de a depista ultraviolete până la formarea ecranului de ozon, menținând un grad de homeostazie. Cu toate acestea, cercetarea Earth Snowball a sugerat că „șocurile de oxigen” și nivelurile reduse de metan au condus, în timpul perioadelor de gheață Huronian, Sturtian și Marinoan / Varanger, la o lume care aproape a devenit un „bulgăre de zăpadă” solid. Aceste epoci sunt dovezi împotriva capacității biosferei pre-fanerozoice de a se autoregula pe deplin.

Prelucrarea CO2 cu efect de seră joacă un rol esențial în menținerea temperaturii Pământului în limitele locuibile.

Ipoteza CLAW, inspirată de ipoteza Gaia, propune o buclă de feedback care funcționează între ecosistemele oceanului și clima Pământului. Ipoteza propune în mod specific că un anumit fitoplancton care produce sulfură de dimetil răspunde la variațiile forțării climatice și că aceste răspunsuri conduc la o buclă de feedback negativă care acționează pentru a stabiliza temperatura atmosferei Pământului.

În prezent, creșterea populației umane și impactul asupra mediului al activităților lor, cum ar fi multiplicarea gazelor cu efect de seră, pot determina reacții negative în mediu care pot să devină feedback pozitiv. Lovelock a declarat că acest lucru ar putea duce la o încălzire globală extrem de accelerată, dar de atunci a afirmat că efectele vor apărea probabil mai lent.

Simulări Daisyworld

(Diagrame dintr-o simulare standard Daisyworld alb-negru)

Ca răspuns la critica conform căreia ipoteza Gaia ar fi cerut aparent o selecție nerealistă a grupului și cooperarea dintre organisme, James Lovelock și Andrew Watson au dezvoltat un model matematic, Daisyworld, în care competiția ecologică a sprijinit reglarea temperaturii planetare.

Daisyworld examinează bugetul energetic al unei planete populate cu două tipuri diferite de plante, margarete negre și margarete albe, care se presupune că ocupă o porțiune semnificativă a suprafeței. Culoarea margaretelor influențează albedoul planetei astfel încât margaretele negre absorb mai multă lumină și încălzesc planeta, în timp ce margaretele albe reflectă mai multă lumină și răcesc planeta. Se presupune că margaretele negre cresc și se reproduc cel mai bine la o temperatură mai scăzută, în timp ce margaretele albe se presupune că se dezvoltă cel mai bine la o temperatură mai ridicată. Pe măsură ce temperatura crește mai aproape de valoarea care place margaretelor albe, margaretele albe se reproduc mai mult decât margaretele negre, ducând la un procent mai mare de suprafață albă și se reflectă mai multă lumină solară, reducând aportul de căldură și răcind în cele din urmă planeta. În schimb, pe măsură ce temperatura scade, margaretele negre se reproduc mai mult decât margaretele albe, absorbind mai multă lumină solară și încălzind planeta. Temperatura va converge astfel la valoarea la care ratele de reproducere ale plantelor sunt egale.

Lovelock și Watson au arătat că, într-o gamă limitată de condiții, acest feedback negativ datorat concurenței poate stabiliza temperatura planetei la o valoare care susține viața, în cazul în care producția de energie a Soarelui se schimbă, în timp ce o planetă fără viață ar prezenta fluctuații largi de temperatură . Procentul de margarete albe și negre se va schimba continuu pentru a menține temperatura la valoarea la care rata de reproducere a plantelor este egală, permițând ambelor forme de viață să prospere.

S-a sugerat că rezultatele au fost previzibile, deoarece Lovelock și Watson au selectat exemple care au produs răspunsurile dorite.

Reglarea salinității oceanice

Salinitatea oceanului a fost constantă la aproximativ 3,5% de foarte mult timp. Stabilitatea salinității în mediile oceanice este importantă deoarece majoritatea celulelor necesită o salinitate destul de constantă și nu tolerează în general valori de peste 5%. Salinitatea constantă a oceanului a fost un mister de lungă durată, deoarece nu s-a cunoscut niciun proces care să contrabalanseze fluxul de sare din râuri. Recent, s-a sugerat că salinitatea poate fi, de asemenea, puternic influențată de circulația apei de mare prin roci bazaltice fierbinți și care apare ca guri de apă caldă pe crestele oceanului mijlociu. Cu toate acestea, compoziția apei de mare este departe de echilibru și este dificil de explicat acest fapt fără influența proceselor organice. O explicație sugerată constă în formarea câmpiilor sărate de-a lungul istoriei Pământului. Se presupune că acestea sunt create de colonii bacteriene care fixează ioni și metale grele în timpul proceselor lor de viață.

În procesele biogeochimice ale Pământului, sursele și sunt date de mișcarea elementelor. Compoziția ionilor de sare din oceanele și mările noastre este: sodiu (Na +), clor (Cl−), sulfat (SO42−), magneziu (Mg2 +), calciu (Ca2 +) și potasiu (K +). Elementele care cuprind salinitatea nu se modifică ușor și sunt o proprietate conservatoare a apei de mare. Există multe mecanisme care schimbă salinitatea de la o formă de particule la o formă dizolvată și înapoi. Sursele cunoscute de sodiu, adică sărurile, apar atunci când intemperiile, eroziunea și dizolvarea rocilor sunt transportate în râuri și depozitate în oceane.

Marea Mediterană este considerată rinichiul lui Gaia de Kenneth J. Hsue, autor de corespondență în 2001. „Desecarea” Mediteranei este dovada unui rinichi funcțional. Anterior, „funcțiile renale” au funcționat în timpul „depunerii gigantilor salini Cretacic (Atlanticul de Sud), Jurasic (Golful Mexic), Permo-Triasic (Europa), Devonian (Canada), Cambrian / Precambrian (Gondwana).”

Reglarea oxigenului în atmosferă

(Nivelurile de gaze din atmosferă în 420.000 de ani de date despre nucleul de gheață de la stația de cercetare Vostok, Antarctica. Perioada actuală este la stânga.)

Ipoteza Gaia afirmă că compoziția atmosferică a Pământului este menținută într-o stare stabilă dinamic de prezența vieții. Compoziția atmosferică oferă condițiile la care s-a adaptat viața contemporană. Toate gazele atmosferice, altele decât gazele nobile prezente în atmosferă, sunt fie produse de organisme, fie procesate de acestea.

Stabilitatea atmosferei pe Pământ nu este o consecință a echilibrului chimic. Oxigenul este un compus reactiv și, în cele din urmă, ar trebui să se combine cu gaze și minerale din atmosfera și crusta pământului. Oxigenul a început să persiste în atmosferă doar în cantități mici, cu aproximativ 50 de milioane de ani înainte de începerea Marelui Eveniment de Oxigenare. De la începutul perioadei cambriene, concentrațiile atmosferice de oxigen au fluctuat între 15% și 35% din volumul atmosferic. Urme de metan (la o cantitate de 100.000 de tone produse pe an) nu ar trebui să existe, deoarece metanul este combustibil într-o atmosferă de oxigen.

Aerul uscat din atmosfera Pământului conține aproximativ (în volum) 78,09% azot, 20,95% oxigen, 0,93% argon, 0,039% dioxid de carbon și cantități mici de alte gaze, inclusiv metan. Lovelock a speculat inițial că concentrațiile de oxigen peste 25% ar crește frecvența incendiilor sălbatice și incendierea pădurilor. Lucrările recente privind constatările cărbunelui cauzat de incendiu în măsurătorile de cărbune carbonifer și cretacic, în perioadele geologice în care O2 a depășit 25%, au susținut argumentul lui Lovelock.

Procesarea CO2

Oamenii de știință Gaia văd participarea organismelor vii la ciclul carbonului ca fiind unul dintre procesele complexe care mențin condiții adecvate vieții. Singura sursă naturală semnificativă de dioxid de carbon atmosferic (CO2) este activitatea vulcanică, în timp ce singura eliminare semnificativă este prin precipitarea rocilor carbonatice. Precipitația, soluția și fixarea carbonului sunt influențate de bacterii și rădăcinile plantelor din soluri, unde îmbunătățesc circulația gazoasă, sau din recifele de corali, unde carbonatul de calciu este depus ca solid pe fundul mării. Carbonatul de calciu este utilizat de organismele vii pentru fabricarea testelor carbonice și a cojilor. Odată moarte, cojile organismelor vii cad pe fundul oceanelor unde generează depozite de cretă și calcar.

Unul dintre aceste organisme este Emiliania huxleyi, o algă coccolithophore abundentă care are, de asemenea, un rol în formarea norilor. Excesul de CO2 este compensat de o creștere a duratei de viață a coccolitoforurii, crescând cantitatea de CO2 blocată în fundul oceanului. Coccolitoforidele măresc acoperirea cu nori, prin urmare controlează temperatura suprafeței, ajută la răcirea întregii planete și favorizează precipitațiile necesare plantelor terestre.

Lichenul și alte organisme accelerează degradarea rocilor la suprafață, în timp ce descompunerea rocilor are loc și mai repede în sol, datorită activității rădăcinilor, ciupercilor, bacteriilor și animalelor subterane. Prin urmare, fluxul de dioxid de carbon din atmosferă în sol este reglementat cu ajutorul ființelor vii. Când nivelurile de CO2 cresc în atmosferă, temperatura crește și plantele cresc. Această creștere aduce un consum mai mare de CO2 de către plante, care îl procesează în sol, îndepărtându-l din atmosferă.