Ugrás a tartalomhoz

Növénytan

A bioszféra és a Gaia-elmélet

A bioszféra és a Gaia-elmélet

Az élet tere, más néven bioszféra a Föld mintegy 20 km-es vastagságú felszíni rétege. Legmagasabb pontja a troposzféra felső határa körül van, ahol mintegy 10 km-es magasságban még kimutattak spórákat, virágporszemeket, valamint baktériumokat. A 10 km-es mélytengeri árkok képezik az alsó határát, ahol anaerob[1807] baktériumokra bukkantak. Hasonló szervezeteket a 4000 m-es mélységű kőolajtelepekben is találtak. A bioszférához tartozik mindezek alapján a troposzféra, a légkör (atmoszféra) legalsó, mintegy 10 km-es vastagságú rétege, a vizeket magába foglaló hidroszféra, a talajokat tartalmazó pedoszféra és a Föld szilárd kérgét képező litoszféra felszínközeli része.

Azt, hogy a bioszféra, a Föld felszínének legkülönbözőbb szféráiban való nagymértékű szétszóródása ellenére is közös tulajdonságokkal és válaszreakciókkal jellemezhető egységet képez, leginkább a Gaia-elmélet illusztrálja.

Gaia a Föld istennője a görög mitológiában. Uranusznak (az ég istenének) a felesége, a titánoknak és a küklopszoknak az anyja. A nevét viselő elmélet James Lovelock nevéhez fűződik. Ez a hipotézis azt feltételezi, hogy a Föld atmoszféráját és felszínének összetételét az élőlények (biota) összessége szabályozza és tartja egyensúlyban. A Föld felszínének fontosabb jellemzői dinamikusan változó stabilitást mutatnak. Amint a légkör összetétele, hőmérséklete vagy oxidációs állapota valamilyen csillagászati, biológiai vagy más zavarás következtében megváltozik, az élőlények a növekedésük és az anyagcseréjük megváltoztatásával reagálnak rá. A biológiai válaszreakciók eredményeként az élet fennmaradásához, illetve továbbfejlődéséhez szükséges állapotok helyreállnak. A földfelszín tulajdonságainak ez az élőlények általi szabályozása már fennáll az élet Földön való elterjedésének legkorábbi időpontja óta, tehát legalább hárommilliárd éve. Egy élettelen bolygó regulációs képessége meglehetősen korlátozott, szemben egy élő bolygóéval. A Gaia-hipotézis gyökeresen eltér a modern evolucionisták[1808] azon korábbi elképzelésétől, amely szerint a földi életet egy olyan statikus környezet foglalja magába, amely arra egyoldalúan hat. A hipotézis nemcsak a múltbeli történésekre ad megfelelő magyarázatot, hanem a jelenlegi élet megértését is segíti.

A Gaia-elmélet hőmérséklet-regulációt magyarázó részének megértéséhez mindenekelőtt tudni kell, hogy a csillagok által kisugárzott energia mennyisége az öregedésükkel arányosan nő. A csillag körül keringő bolygón - annak felszíni tulajdonságai alapján - háromféleképpen alakulhat a hőmérséklet.

Egy vízmentes, élettelen bolygón nincs semmilyen hőmérséklet-szabályozási (regulációs) rendszer. A bolygó felszínének hőmérséklete a beeső sugárzás mennyiségétől, illetve a sugárzást felfogó felszín fizikai tulajdonságaitól (hőkapacitás, szín, domborzati viszonyok stb.) függ.

Egy élettelen bolygón, amelyen víz is nagy mennyiségben van jelen, már létezik egy a hőmérsékletet befolyásoló önszabályozó (autoregulációs) rendszer. A hőmérséklet szabályozása azonban csak kismértékű, és egy szűk sugárzási tartományban érvényesül. Létezik egy pozitív és egy negatív visszacsatolási pont. A pozitív, hőmérsékletet emelő visszacsatolást a jég helyi olvadása és a felszínre kerülő sziklák, valamint a víz csökkent albedója[1809] okozza. A negatív, tehát albedót növelő, és ezáltal hőmérsékletet csökkentő visszacsatolás a felhőképződés eredménye.

Egészen más a helyzet egy olyan bolygón, amelyen élőlények élnek. Az "élő bolygón" a reguláció csaknem tökéletes, és széles sugárzási tartományban érvényesül. A pozitív visszacsatolás azt eredményezi, hogy a bolygó gyorsan az élőlények számára kedvező hőmérsékleti tartományba kerül. A negatív visszacsatolás ennek az állapotnak a fenntartását szolgálja. A legfontosabb különbség az élő, aktív és az élettelen, passzív rendszerek között az, hogy az előbbiek zavarást követően képesek visszaállni az eredeti állapotba. A visszaállás gyors, és széles tartományon belül lehetséges. A bioszféra tehát, akárcsak egy élő szervezet, önszabályozásra képes.

A "százszorszép világ" ("daisy world") olyan elképzelt bolygó, amelyen optimálisak a feltételek a rajta élő élőlények számára. Két százszorszép faj uralja a bolygót, amelyek közül az egyiknek világos, a másiknak pedig sötét a színe. Az albedó[1810] befolyásolásában jelentékeny szerepet nem játszó növényevők forgatják vissza a szerves anyagokat ásványi táplálékokká. A sötét színű százszorszép faj több sugárzást abszorbeál, mint a világos, aminek következtében állományainak hőmérséklete magasabb, mint a másiké. Ez kedvező tulajdonság mindaddig, amíg a csillag fiatal és viszonylag kevés sugárzást bocsát ki. Ennélfogva először a sötét színű százszorszép növekedszik és terjed jobban. Amint kellőképpen elterjed a bolygón, annak albedóját lecsökkenti és a melegedés globális jelenséggé válik. Amíg az energia és a tápanyagok engedik, a populáció exponenciális növekedése pozitívan hat a bolygó hőmérsékletére. A klíma melegedésével a sugárzást kevésbé abszorbeáló világos százszorszépek is elkezdenek növekedni és terjedni, és egyre inkább konkurenseivé válnak a sötét százszorszépeknek. A hőmérséklet a beeső sugárzás mennyiségéhez képest csak lassan emelkedik, mivel a világos százszorszépek nagy albedója határt szab a felmelegedésnek. A csillag hőmérsékletének emelkedésével a világos százszorszépek elterjedési területének (area) növekedése addig tart, amíg a bolygó számukra is túl forróvá nem válik. Az élővilág katasztrofális összeomlása következik be, amint nagy területeket borít be a sötétebb színű, puszta sziklafelület.

Az élő szervezetek a fentiekhez hasonló módon erős kölcsönhatásba lépnek a vizekkel, a talajjal, a vizek aljzatával, a felszíni kőzetekkel és az atmoszférával. Ezek közül legkevésbé stabil, és az élőlények által leginkább befolyásolt közeg az atmoszféra. A foszfor kivételével az élőlények reprodukciójához feltétlenül szükséges elemek (C, H, N, O) mind kapcsolatba kerülnek vele. Ezért az élőlények Földön betöltött aktív regulációs szerepére a legerősebb bizonyítékok az atmoszféra vizsgálatából erednek.

A Föld atmoszférája jelentősen eltér attól, ami élettelen környezetben kialakult egyensúlyi állapotban lenne megfigyelhető. Ezt bizonyítja a Naprendszer három bolygójának, a Vénusznak, a Földnek és a Marsnak a jelentősen eltérő légköre is. A Vénuszon 96,6%, a Marson pedig 95% a CO2, és 3,2%, illetve 2,7% a N2 aránya. A csekély mennyiségű vízgőz és O2 mellett az argongáz mennyisége jelentősebb még a Marson. Az élettelen, de a Földhöz képest a Naphoz közelebb, illetve attól távolabb keringő két bolygón tehát feltűnően hasonló a légkör összetétele. A Föld légköre ezzel szemben 78,1% N2-t, 20,9% O2-t, 0,03% CO2-t és közel 1% vízgőzt és redukált állapotú mikrogázokat tartalmaz. Úgy tűnik tehát, hogy a földi légkör összetételét az élőlények tartják fenn. Ez a légkör olyan, mintha egy belső égésű motor tüzelőanyag-levegő keverékének higított, reaktív anyaga lenne. Szénhidrogénjei, metánja, hidrogénje és más redukált gázai reagálnak az oxigénnel. Ha ezeket a gázokat az élő szervezetek nem termelnék újra, néhány évtizeden belül eltűnnének a Föld légköréből. Ezen gázok legfőbb forrása az élő szervezetek - leginkább a baktériumok - anyagcseréje. A nitrogén sem stabil oxigén és szén-dioxid jelenlétében egy vizes bolygó légkörében. Az élettelen Földön legstabilabb formája az óceánokban nitrátionok formájában lenne. A szén-dioxid a Föld atmoszférájában sokkal kisebb mennyiségben fordul elő, mint az élettelen bolygókon. Ennek az instabil és reaktív gázkeveréknek a fenntartása a Föld légkörében csak a "Gaia" regulált rendszerében lehetséges.

A "daisy world" működtetésében nagy jelentőségűek a mikrobák[1811]. A kőzetek mállási folyamataiban és a talajok kialakításában játszott szerepük közismert. Kiemelt jelentőségükre utal az is, hogy a Föld történetének a növények és állatok megjelenése előtti több mint 80%-ot kitevő időszaka alatt mikrobák - baktériumok, cianobaktériumok - uralták a bolygót, a jelenlegi légköri összetételt kialakítva.



[1807] Anaerob az a szervezet, amely oxigéntől elzárva is megél, illetve az az életműködés, amely oxigén nélkül is végbemegy.

[1808] Az evolucionisták filozófiai irányzata szerint a fejlődés ugrások nélkül, folyamatosan megy végbe.

[1809] Albedó a felszín sugárzást visszaverő képessége. A világos színű felszínek albedója nagy, a sötéteké viszont kicsi.

[1810] Albedó a felszín sugárzást visszaverő képessége. A világos színű felszínek albedója nagy, a sötéteké viszont kicsi.

[1811] Mikroszervezeteknek, mikroorganizmusoknak vagy mikrobáknak mindenekelőtt az apró, mikroszkópos méretű vírusokat, baktériumokat, cianobaktériumokat és gombákat tekintjük.