Катастрофические изменения улучшают условия для развития жизни

Гипотеза Геи — идея, впервые выдвинутая химиком Джеймсом Лавлоком и микробиологом Линн Маргулис в 1970-х годах: Земля, поддерживая и улучшая условия для жизни, ведёт себя как самовоспроизводящийся организм, и другие живые организмы взаимодействуют с нею.

Некоторые эксперты считают, что крупномасштабные планетарные возмущения, такие как изменение климата и чрезмерное использование ресурсов, могут свести на нет прогресс в любой точке мира. Таким образом жизнь ухудшает условия для самой себя - по своей сути является саморазрушительной.

Новое исследование, опубликованное в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества», с помощью компьютерного моделирования выдвигает другой аргумент: крупномасштабные возмущения на самом деле являются механизмом, с помощью которого системы Геи усложняются (увеличивается количество связей в сети видов). По мнению авторов, эти результаты могут в конечном итоге помочь учёным-планетологам сузить поиски жизни за пределами Земли.

За свою примерно 4-миллиардную историю жизнь на Земле пережила множество потрясений. Нарушения стабильности с течением времени приводят к более пригодным условиям для развития жизни. Эту тенденцию мы назвали "энтропией Геи". Сейчас мы продолжаем это исследование, работая с моделью коэволюции «Сплетённая природа», чтобы понять, как эволюционная история жизни формируется в периоды острого экологического стресса. Мы обнаружили, что, хотя эти периоды стресса и создают риск полного вымирания, они также открывают возможности для эволюционных исследований природы и прорывов, которые в противном случае были бы невозможны, что приводит к большему числу стабильных состояний среди выживших, нежели в альтернативных историях без периодов стресса. Мы также изучаем, как продолжительность, повторяемость и количество убежищ, в которые жизнь уходит во время потрясений, влияют на конечный результат. Результаты моделирования обсуждаются в контексте как истории Земли, так и поиска внеземной жизни.

Моделирующая Гея

Земля исторически вела себя как Гея-система, — сказала Арвен Николсон, астрофизик из Эксетерского университета и соавтор нового исследования. «Вы видите тенденцию к увеличению разнообразия и биомассы с течением времени, и жизнь становится всё более сложной». По её словам, эта сложность возникла отчасти из-за крупномасштабных изменений на Земле. Например, Великое кислородное событие, произошедшее около 2,5 миллиардов лет назад, когда уровень кислорода в атмосфере Земли резко повысился, уничтожило большую часть анаэробной жизни, но создало возможность для эволюции животных.

Желая проверить правдободобность этой версии для других мирох, исследовательская группа использовала компьютерную модель под названием «Сложная модель природы», предназначенную для имитации эволюции групп видов. В «Сложной модели природы» судьба каждого вида связана с судьбой других видов — как и на Земле.

Исследователи смоделировали возмущения в этих смоделированных мирах, временно снизив их пропускную способность. Они провели эксперименты с возмущениями разной продолжительности, разным количеством возмущений и разным количеством убежищ, где жизнь могла сохраниться во время возмущения. После тысяч симуляций команда обнаружила, что, хотя возмущённая система с большей вероятностью уничтожает всю  жизнь, в возмущённых системах, в которых жизнь сохранилась, наблюдается более высокое разнообразие и обилие жизни, которая сохраняется на протяжении десятков тысяч поколений. «Когда происходит крах, появляется возможность для возникновения чего-то нового», — сказал Николсон.

Системы, пережившие эти события, восстанавливались быстрее. Это возможно, потому что жизнь обычно не исчезает полностью, очаги жизни всё ещё существуют в убежищах. Например, во время Великого окислительного события анаэробная жизнь сохранилась в глубоких водах с низким содержанием кислорода.

Чем сложнее живая система на планете, тем сложнее взаимодействие видов друг с другом, что повышает вероятность того, что следующая итерация экосистемы, которая заполнит пустую нишу, будет состоять из более сложных, а не простых связей.

Модель абстрактна и не включает в себя все детали биологических форм жизни и предназначена для выявления общих принципов, которые могут проявляться в разных мирах. Биология неизбежно сложнее и тоньше, чем модели. Биология всегда полна сюрпризов и непредвиденных последствий.

Саморазрушительные тенденции.

Уорд был одним из первых учёных, предположивших, что жизнь на Земле может быть по своей сути саморазрушительной, назвав эту идею гипотезой Медеи. Уорд сказал, что его не убедило новое исследование, потому что в истории Земли «жизнь является основной причиной» массовой гибели. Например, сама жизнь может приводить к обратным связям, таким как Великое окисление, которое было вызвано эволюцией новой формы одноклеточных организмов, способных к фотосинтезу, сказал он. «Вы наконец-то получаете жизнь на планете, а потом что происходит? Она эволюционирует, вырабатывает кислород и убивает почти всё».

«Эти огромные потрясения приводят к тому, что жизнь идёт вспять — они приводят к ухудшению условий», — сказал он. Он добавил, что экосистемы Земли, как правило, демонстрируют, что «разнообразие возникает, когда у вас есть длительные периоды стабильности». Например, коралловые рифы обычно более разнообразны, если у них был длительный период стабильности, в течение которого они эволюционировали.

У Николсон была другая точка зрения: "Высвобождение кислорода позволило жизни стать более сложной ... вот почему мы здесь", - сказала она. "Если бы вы были микробом [во время Великого окислительного процесса]...…это было бы действительно плохо. Но для того, чтобы биом усложнился, это должно последовать после каких-то потрясений жизни".

Идея о том, что жизнь в конечном итоге уничтожает саму себя, провоцируя собственные события вымирания, противоречит выводам авторов модельных экспериментов, которые показывают стабильность, возникающую у живых систем с течением времени, даже при крупномасштабных возмущениях, сказал Мэйн. "Наше моделирование предполагает, что статистически биосферы усложняются и не являются саморазрушительными".


По словам Мэйна, результаты дают учёным дополнительный параметр для поиска. Например, планеты, находящиеся на краю обитаемой зоны — области на расстоянии от звезды, где возможно существование жидкой воды, — с большей вероятностью могли испытывать изменения климата, которые могли способствовать развитию более сложной жизни, сказал он. Смещение орбиты и столкновения с астероидами также могут влиять на планету.

Идея о том, что новые данные представляют собой «разумный шаг на пути к тому, чтобы астрономы могли оценивать планеты, похожие на Землю, на предмет их потенциальной пригодности для жизни», является «преувеличением», потому что ни один из параметров, использованных в исследовании, не наблюдается на экзопланетах, - написал Лайнвивер в электронном письме. Мэйн согласился с тем, что для выявления планет, на которых эти механизмы с большей вероятностью будут работать, необходимы дополнительные исследования.