Спорная теория утверждает, что Земля — это живой суперорганизм: что на самом деле удерживает климат стабильным 4 млрд лет

На протяжении четырех миллиардов лет физические и химические параметры на поверхности Земли остаются в узких пределах, допускающих существование жидкой воды и органической жизни. Это постоянство представляет собой фундаментальную научную проблему.

За время существования биосферы мощность солнечного излучения увеличилась примерно на 30 процентов из-за естественной эволюции звезды. В таких условиях планета без активных компенсирующих процессов должна была сначала замерзнуть, а затем перегреться до состояния, когда океаны полностью испаряются в атмосферу. Однако температура приповерхностного слоя Земли на протяжении сотен миллионов лет сохраняла относительную стабильность, а состав атмосферы удерживался в неравновесном, но пригодном для организмов состоянии.

В 1970-х годах химик Джеймс Лавлок и биолог Линн Маргулис предложили объяснение этому феномену, сформулировав гипотезу Геи. По их мнению, биосфера представляет собой единую саморегулирующуюся систему. Организмы не просто пассивно адаптируются к окружающей среде, но активно управляют ею, удерживая ключевые параметры планеты — температуру, кислотность океанов, концентрацию газов — на оптимальном для жизни уровне.

Эта концепция вызвала резкую критику со стороны эволюционных биологов. Согласно синтетической теории эволюции, любая адаптация формируется исключительно естественным отбором. Отбор требует наличия популяции отдельных объектов, которые различаются между собой по свойствам, конкурируют за ресурсы, размножаются и передают свои признаки потомству.

Земная биосфера существует в единственном экземпляре. Она не входит в популяцию конкурирующих планет, не размножается и не передает свои глобальные свойства новому поколению биосфер. Следовательно, с точки зрения строгой биологии у планеты не могли возникнуть адаптивные механизмы поддержания климата.

В последние годы группа исследователей предприняла попытку пересмотреть эти ограничения и создать «дарвинизированную» версию гипотезы Геи. Они предложили теоретические модели, где отбор может действовать без размножения или осуществляться последовательно через серию планетарных кризисов.

В работе, опубликованной в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society B, исследователи Маргарида Эрмида из Королевского колледжа Лондона и Самир Окаша из Бристольского университета провели критический анализ этих моделей. Их выводы показывают: несмотря на внешнюю логичность новых гипотез, стабильность биосферы принципиально невозможно описать языком дарвиновского естественного отбора.

Разделение функции и побочного эффекта

В основе спора вокруг планетарной саморегуляции лежит различие между понятием биологической функции и понятием сопутствующего побочного продукта.

В эволюционной биологии признак считается функциональным только в том случае, если он возник и закрепился в результате естественного отбора именно благодаря той пользе, которую он приносит. Если же некий результат возникает сам по себе, как неизбежное физическое или химическое следствие другого процесса, он признается побочным продуктом.

Примером может служить деятельность почвенных беспозвоночных. Передвигаясь в грунте в поисках пищи, они рыхлят землю. В результате почва насыщается кислородом, в ней активнее развиваются микроорганизмы, что ускоряет минерализацию питательных веществ и способствует росту растений.

Улучшение условий для растительного сообщества в целом не является эволюционной функцией поведения беспозвоночных. Отбор на уровне отдельных особей поддерживал способность эффективно находить пищу и скрываться от хищников. Аэрация почвы и обогащение экосистемы — это полезный побочный эффект индивидуальной жизнедеятельности на локальном уровне.

Сторонники классической теории эволюции указывают, что все процессы планетарного масштаба имеют схожую природу.

Когда 2,4 миллиарда лет назад древние цианобактерии освоили оксигенный фотосинтез, они начали выделять в атмосферу молекулярный кислород. Это фундаментально изменило геохимию планеты: сформировался озоновый слой, снизилась концентрация метана, изменился состав минералов на суше и в океане.

Цианобактерии не вырабатывали кислород для создания комфортной среды будущим многоклеточным организмам. Выделение кислорода было прямым химическим следствием расщепления воды при получении энергии. Для самих бактерий того времени свободный кислород являлся токсичным отходом метаболизма.

Следовательно, то, что глобальная жизнедеятельность организмов влияет на состав атмосферы и температуру, не означает наличия целенаправленного механизма регуляции. Это сумма побочных продуктов метаболизма триллионов организмов, каждый из которых борется за собственное выживание.

Селекция и сортировка на разных уровнях организации

В многоуровневых биологических системах существует риск спутать истинный отбор на высшем уровне с эффектом фильтрации, идущим снизу вверх. В теоретической биологии это разграничение описывается терминами «отбор» и «сортировка».

Представим группу родственных видов животных. Допустим, внутри некоторых видов индивидуальный отбор благоприятствует особям, которые дальше расселяются от места своего рождения, избегая близкородственного скрещивания. В результате такие виды постепенно занимают обширные географические ареалы.

На макроэволюционном масштабе виды с широким ареалом реже вымирают при локальных изменениях климата. Через десятки миллионов лет в данной группе сохранятся преимущественно те виды, которые занимают большие территории.

Возникает вопрос: является ли широкий географический ареал признаком, который сформировался в результате отбора на уровне видов?

Анализ показывает, что нет. Отбор происходил исключительно на уровне отдельных организмов за счет предпочтения определенных поведенческих стратегий. Увеличение ареала вида стало автоматическим следствием этого процесса. Произошла сортировка видов по размеру территории, но не самостоятельный отбор на видовом уровне.

Чтобы зафиксировать истинный отбор на высшем уровне, необходимо доказать, что связь между признаком группы и ее выживанием нельзя полностью объяснить индивидуальным отбором составляющих ее единиц.

Применительно к биосфере Земли это означает следующее: даже если глобальные биогеохимические циклы снижают вероятность полного вымирания жизни на планете, это само по себе не доказывает наличия отбора на уровне биосферы. Если устойчивость планеты полностью складывается из результатов индивидуальной адаптации микробов, растений и животных, то планетарная регуляция представляет собой сортировку химических реакций, а не эволюционную адаптацию.

Попытки дарвинизации: отбор по выживаемости

Чтобы обойти запрет на применение эволюционной теории к единичному объекту, биолог У. Форд Дулиттл предложил концепцию отбора по выживаемости.

Классический естественный отбор основан на дифференциальном размножении: структуры, производящие больше копий, вытесняют менее плодовитые структуры. Дулиттл предположил, что отбор может работать и в гипотетической популяции неразмножающихся, потенциально долговечных объектов.

В такой системе одни объекты будут разрушаться под воздействием случайных факторов среды, а другие — сохраняться благодаря свойствам, обеспечивающим устойчивость. Со временем доля стабильных структур в системе будет возрастать.

Дулиттл перенес этот принцип на замкнутые биогеохимические циклы. В сложных экологических сообществах продукты жизнедеятельности одних организмов служат ресурсом для других. Например, органический азот перерабатывается бактериями в аммиак, затем нитрифицируется в нитраты и снова восстанавливается до молекулярного газа.

Биологические виды, участвующие в этих процессах, постоянно мутируют, вымирают и замещаются другими таксонами. Но сам замкнутый цикл биохимических превращений сохраняется сотни миллионов лет.

Дулиттл сформулировал тезис: единицей эволюционного отбора выступает не совокупность организмов, а устойчивая схема химических взаимодействий. Процессы, замыкающие циклы ресурсов, сохраняются во времени, а незамкнутые схемы быстро исчерпывают субстрат и прекращают функционирование.

Эрмида и Окаша детально анализируют эту идею и указывают на ее границы. Селекция по выживаемости теоретически возможна, если существует множество различных, независимых биогеохимических циклов, сосуществующих и конкурирующих за вещество и энергию.

Однако гипотеза Геи требует объединения всех локальных циклов в масштабе планеты в единую глобальную сеть климатического контроля. В этот момент популяция независимых циклов исчезает. Перед исследователем вновь оказывается уникальный объект — биосфера Земли в целом.

Для единичного объекта отбор по выживаемости теряет объяснительную силу, поскольку отсутствует фон из других объектов, по сравнению с которыми данная биосфера продемонстрировала бы преимущество.

Механизм последовательного отбора через сброс системы

Другой способ обосновать регуляцию планеты предложил климатолог Тим Лентон совместно с соавторами. Они разработали модель последовательного отбора, основанную на принципах кибернетики.

Идея опирается на работы Уильяма Росса Эшби, изучавшего механизмы самоорганизации сложных систем. Согласно модели Лентона, планетарная стабильность формируется путем слепого перебора состояний:

1. Жизнь непрерывно меняет среду обитания, выбрасывая в нее химические соединения.
2. Эти изменения могут действовать либо в сторону стабилизации условий, либо в сторону их деградации.
3. Если изменения носят разрушительный характер, биосфера входит в кризис, приближаясь к границе потери жизнепригодности. Происходит массовое вымирание видов.
4. Вымирание разрушает текущие экологические связи и «сбрасывает» конфигурацию системы.
5. Выжившие организмы образуют новые комбинации связей. Если они вновь дестабилизируют среду, следует очередной кризис.
6. Рано или поздно система случайно приходит к состоянию, где биологические процессы формируют отрицательные обратные связи, гасящие внешние возмущения.
7. Достигнув устойчивой конфигурации, биосфера перестает разрушать среду и сохраняется в таком состоянии на долгое время просто потому, что устойчивое состояние не вызывает собственного коллапса.

Лентон подчеркивает, что этот процесс не является оптимизацией: система не совершенствует регуляторные контуры целенаправленно. Она лишь переходит из нестабильных состояний в относительно устойчивые через серию катастроф.

Авторы идеи утверждают, что этот механизм позволяет объяснить возникновение планетарного гомеостаза без привлечения размножения планет.

Вариация против трансформации: логика Ричарда Левонтина

Чтобы оценить научный статус последовательного отбора, Эрмида и Окаша обращаются к различию между вариационными и трансформационными объяснениями в естественных науках, введенному генетиком Ричардом Левонтином.

• Трансформационное объяснение рассматривает изменение во времени одного конкретного объекта. В ходе своего существования этот объект под действием внутренних или внешних причин переходит из исходного состояния в другое. Трансформационными являются модели индивидуального развития организма от зиготы до взрослой особи, геологические теории эволюции земной коры или ламарковская концепция адаптации за счет упражнения органов.
• Вариационное объяснение рассматривает совокупность многих объектов (популяцию), различающихся между собой. Внешний фактор действует как избирательное сито: объекты одного типа устраняются, а объекты другого типа сохраняются или размножаются. В результате меняется не сам отдельный объект, а статистический состав всей популяции. Именно этот принцип лежит в основе дарвиновского естественного отбора.

Дарвиновская теория принципиально вариационна. Она не объясняет, каким образом конкретный организм изменил свои свойства, чтобы приспособиться к холоду. Она объясняет, почему в популяции возросла доля особей, изначально обладавших плотным шерстным покровом.

Когда сторонники гипотезы Геи описывают историю Земли как череду кризисов, вымираний и перестроек взаимодействий, приводящих к стабильному состоянию, они предлагают трансформационное объяснение. Они описывают траекторию изменений одной конкретной планетарной системы во времени.

Земля в этой модели не была выбрана внешним фильтром из группы альтернативных планет. Она последовательно меняла свои внутренние физико-химические режимы.

Следовательно, процесс, названный «последовательным отбором», не является естественным отбором в биологическом смысле слова. Это кибернетическое описание стабилизации динамической системы путем стохастического поиска равновесия. Использование термина «отбор» в данном контексте создает терминологическую путаницу, стирая границу между дарвинизмом и трансформационными теориями развития систем.

Статистическая неразличимость отбора и случайного дрейфа

Попытка применить эволюционный понятийный аппарат к популяции размером N = 1 порождает не только теоретические, но и непреодолимые статистические трудности. Она делает невозможным разграничение направленного процесса и случайности.

В популяционной генетике изменение частоты признака может происходить под действием двух основных факторов:

1. Естественный отбор: признак дает преимущество в выживании или размножении, поэтому его носители систематически преобладают.
2. Случайный генетический дрейф: признак закрепляется или исчезает в результате стохастических процессов, не связанных с его полезностью.

Для разграничения этих явлений разработаны математические методы. Они требуют анализа частот признаков в больших выборках на протяжении многих поколений. Если размер популяции крайне мал, влияние случайных факторов резко возрастает и подавляет действие отбора.

В случае земной биосферы исследуемый объект строго единичен.

Если линия жизни на Земле сохранила устойчивость в течение четырех миллиардов лет после возникновения определенных биохимических связей, современная наука не располагает методами, позволяющими установить причину этого события.

Существуют две принципиально разные гипотезы:

• Биосфера выжила благодаря тому, что приобретенные ею обратные связи объективно повышали вероятность долгосрочного сохранения условий обитаемости (адаптивная гипотеза).
• Биосфера выжила благодаря тому, что ей случайно не встретились внешние или внутренние возмущения критической силы, способные полностью уничтожить жизнь, независимо от эффективности ее внутренних регуляторных контуров (гипотеза нейтрального дрейфа).

Обе гипотезы полностью согласуются с наблюдаемым фактом: непрерывным существованием жизни на Земле. Однако проверить или опровергнуть их экспериментально невозможно, поскольку у науки нет контрольной группы аналогичных планет для статистического сравнения.

Таким образом, утверждение о том, что стабильность биосферы является результатом отбора на выживаемость, остается принципиально нефальсифицируемым предположением.

Статус биосферы в современной науке

Анализ Маргариды Эрмиды и Самира Окаши показывает, что попытки вписать гипотезу Геи в рамки теории Дарвина исчерпали свой объяснительный потенциал. Концепции селекции персистентности и последовательного отбора не преодолевают фундаментальных ограничений:

• Биосфера не образует популяций, обладающих изменчивостью и репликацией, что исключает вариационный отбор в дарвиновском смысле.
• Планетарная стабильность описывается трансформационными моделями теории сложных систем и кибернетики, которые логически несовместимы с механизмами биологической эволюции.
• При размере выборки N = 1 невозможно методологически отделить адаптивное сохранение системы от нейтрального стохастического выживания.

Сохранение условий обитаемости на Земле на протяжении миллиардов лет — это реальный геофизический и геохимический феномен. Однако он представляет собой совокупность физических процессов и побочных результатов жизнедеятельности организмов, сформировавших сложную динамическую систему с множеством прямых и обратных связей.

Для описания этих процессов достаточно аппарата неравновесной термодинамики, геохимии и экологии сообществ. Попытка наделить планету эволюционными свойствами организма не добавляет нового научного содержания, но искажает базовые принципы эволюционной биологии.

Этот вывод имеет прямое значение для оценки экологической стабильности планеты. Биосфера не вырабатывала эволюционных приспособлений для защиты климатического гомеостаза. Планетарное равновесие не гарантировано внутренними биологическими программами самосохранения. Любое масштабное смещение физико-химических параметров способно перевести систему в новое равновесное состояние, параметры которого могут оказаться абсолютно непригодными для поддержания человеческой цивилизации.

Источник: Philosophical Transactions of the Royal Society B