En gång för mycket länge sedan, när solen ännu var ung, kom stoft från döda stjärnor drivande genom rymden och lade sig i ringar runt den nya solen.
Det är detta stoft som så småningom bildade planeterna, och det är det som utgör materialet i den process vi kallar liv. Det liv som bildades likt virvlar i kanten på det flöde av energi som strömmar ut från solen, det liv av vilket du och jag är en del.
De livsuppehållande processerna är livets innersta kärna och förutsättningen för vår existens. Den fria vilja vi har kan vi använda för att välja mellan att motarbeta, stå utanför, eller bidra till dessa processer.
Gaiateorin
I slutet av sjuttiotalet skrev engelsmannen James Lovelock boken, Gaia - A New Look At Life on Earth där han föreslog en syn på jorden som visserligen inte var ny, men som stod i kontrast mot den gängse. Han menade att jorden uppförde sig som ett själv-reglerande system där de ingående organismerna och ekosystemen tillsammans skapade de förhållanden som gjorde att jorden kunde upprätthålla ett tillstånd som var lämpat för liv.Hypotesen mötte på vissa håll stark kritik, bland annat för att man ansåg att den var teleologisk, dvs. att den skulle innebära att organismer och ekosystem måste känna till och bestämma en handlingsväg för att uppnå detta tillstånd. Detta beteende anses vara förbehållet människan. Lovelock avvisar denna kritik med diskussionen om Daisyworld, Tusenskönevärlden, där han visar att mål går att uppfylla utan att teleologi är inbegripet. Han menar i stället att biologiska system kan vara, och ofta är teleonomiska, omedvetet måluppfyllande.
Skillnaden mellan teleologisk och teleonomisk kan belysas med följande exempel:
Teleologisk: - Jag klättrar uppför stegen till vinden. Teleonomisk: - Jag klättrar uppåt.
Man kritiserade också Lovelock för att han förde cirkelresonemang — att livet skulle skapa förhållanden som gjorde jorden lämplig för livet — något som är förbjudet i traditionell logik och i många vetenskapliga resonemang. I biologiska funktioner är emellertid cirkelorsaker av denna typ vanliga, t.ex. i självkatalys och feed-backmekanismer.
Boken väckte emellertid många tankar och blev också i vissa kretsar nästan en kultbok. Gaia-begreppet fick nästan religiösa övertoner. Gaia var ju det gamla grekiska namnet på jordgudinnan. Namnet kom emellertid inte från James Lovelock själv, utan föreslogs av en granne till honom, nobelpristagaren William Golding, under ett samtal om hypotesen.
Diskussionerna gjorde emellertid att James Lovelock 1988 gav ut en ny bok där han utvecklade hypotesen noggrannare och också gav fler belägg för dess riktighet. Detta ledde till man nu inom stora delar av vetenskapsvärlden accepterar hypotesen, dvs. man benämner den teori istället.
Jag skall i fortsättningen försöka beskriva några av de grundresonemang och verifikationer som ligger bakom teorin. Andra forskare har också kommit fram med resultat som styrker den, något jag kommer att ta upp senare i denna artikel, liksom några av de implikationer teorin kan föra med sig för vårt tänkande och vår världsbild.
Tusenskönevärlden
I Tusenskönemodellen tänker man sig en planet med många egenskaper liknande de hos vår jord, men planeten är bebodd av en enda livsform, tusenskönor. I modellens enklaste utförande finns det bara två olika slags tusenskönor, svarta och vita. De fortlever under en mycket lång tid, flera miljarder år, på tusensköneplaneten.Under en så lång tid ökar nämligen solens luminositet, ljusstyrka, så mycket att det påverkar livsbetingelserna på planeterna. Vår egen sols luminositet anses t.ex. ha ökat omkring 30% sedan livets uppkomst på Jorden. Detta är normalt för stjärnor av soltyp. Tusenskönorna antas i modellen trivas bäst vid en temperatur på omkring 20 grader.
När experimentet tänks börja är solen ung och har alltså låg luminositet, så låg att det bara är omkring fem grader varmt på Tusenskönevärlden. Världen har besåtts med en stor mängd frön av både svarta och vita tusenskönor (regn, jord och andra nödvändiga livsbetingelser, liksom frön, får experimentatorn bidra med). Till att börja med gror båda sorterna av tusenskönor, men medan de svarta värms upp av den svaga solen kommer de vita att reflektera strålningen och i stället bli avkylda och dö. De svarta klarar sig för att de inte bara värms upp själva, utan de också skapar ett mikroklimat med högre temperatur än det egentligen skulle vara. Den globala övervikten av svarta tusenskönor gör också att hela planeten blir varmare är den egentligen skulle vara.
När solens luminositet tilltar blir det inte längre lika fördelaktigt att vara svart tusensköna. Vita tusenskönor kan också utgöra en del av populationen. När solens luminositet är så stor att det i alla fall skulle vara omkring 20° på planeten gör det detsamma om man är svart eller vit, och vi kan förvänta oss att det finns ungefär lika många. Vid ökande luminositet kommer det emellertid att vara fördelaktigt att ha det svalare än vad det egentligen skulle ha varit, och vita tusenskönor som kan reflektera solstrålningen bättre kommer att dominera.
I slutet av experimentet har solen blivit så ljusstark att inte ens en population bestående av enbart vita tusenskönor kan hålla planeten vid rätt temperatur. Temperaturen stiger då över de nödvändiga tjugo graderna, tusenskönorna dör och planetens temperatur kommer att stiga till den temperatur den egentligen skulle ha haft utan tusenskönor.
Figur A:
Gratistjänster
De livsuppehållande processer på vår planet som vi använder i vårt dagliga liv är resultat av ‘gratistjänster’ av samma typ som den temperaturreglering som diskuterades i samband med tusensköne-världen. James Lovelock påpekar bland annat i den bok han gav ut 1988 att temperaturen på Jorden utan liv borde vara 240 - 340 grader, om man tar hänsyn till avståndet från solen och solens ljusintensitet. Några andra egendomligheter med Jorden jämfört med de andra planeterna i solsystemet finns samlade i tabell a.Tabell A Livet gör jorden egendomlig. Efter (Lovelock, 1988).
| Venus | Jorden utan liv | Mars | Jorden med liv | |
| Koldioxid |
96,5%
|
98%
|
95%
|
0,03%
|
| Kvävgas |
3,5%
|
1,9%
|
2,7%
|
79%
|
| Syrgas |
spår
|
0,0%
|
0,13%
|
21%
|
| Metangas |
0,0
|
0,0
|
0,0
|
1,7 ppm
|
| Temperatur vid ytan |
459°
|
240° - 340°
|
- 53°
|
16°
|
| Tryck vid ytan (bar) |
90
|
60
|
0,0064
|
1,0
|
Ett exempel: svaveltransport
För att förstå hur komplicerad Gaia-regleringen kan vara skall vi titta närmare på ett ämne: svavel. Svavel är ett viktigt växtnäringsämne för alla landväxter, samtidigt som det löser sig i havsvattnet och det därför finns en risk för att det blir en brist på detta ämne på land. Det måste alltså finnas en väg där svavel återförs från hav till land.Tidigare trodde man att det var svavelväte, den giftiga gasen som luktar ruttna ägg, som var denna bärare, men genom bl.a. James Lovelocks egen forskning har ‘svavelbäraren’ identifierats och mekanismen klargjorts.
För att skydda sig mot för höga salthalter innehåller havsalger och växter som lever vid stranden sk. betainer, ämnen som fungerar som ett salt utan att ha saltets negativa effekter för växten. Genom att de innehåller detta ämne (uppkallat efter släktet Beta, dit bland andra rödbetan hör) tränger inte salt in i växternas celler och skadar de processer som försiggår där. När en alg innehållande detta ämne dör och förmultnar frigörs nedbrytningsprodukter av betainerna.
En sådan nedbrytningsprodukt är dimetylsulfid, ett gasformigt, svavelhaltigt ämne. (Det är dimetylsulfid som luktar ‘hav’.)
Dimetylsulfiden driver inåt land och omvandlas så småningom till sulfatjoner som regnar ned över skogsområdena. Svavlet i dessa joner fungerar som gödselmedel för landväxterna, och på så sätt blir dessa mer aktiva. Deras aktivitet gör att vittringen blir effektivare i jorden under dem, och det i sin tur leder bland annat till att olika näringsämnen, t.ex. kisel, kväve och fosfor följer med flodvattnet från dessa områden ut i havet. Väl ute i havet blir växnäringsämnena gödselmedel för algerna så att de frodas och kan bilda mer betainer och dimetylsulfid osv...
Detta är en urgammal process som har fått aktualitet i våra dagar. Vi bekymrar ju oss över det ökade försurande svavelnedfallet som är ett resultat av vår ökade förbränning av fossila bränslen. Om vi nu lyckas minska svavelutsläppen genom olika metoder så skall vi inte bli förvånade om de sura nedfallen inte upphör.
Vi släpper nämligen också ut både fosfor, kväve och kisel genom våra aktiviteter på land, och detta göder havsalgerna så att bildningen av dimetylsulfid ökar.
Genom att släppa ut växtnäringsämnen i havet riskerar vi därför att få surt regn på land. Uppskattningar av det sura nedfallet i vindar från Engelska Kanalen tyder på att svavelnedfallet som härstammar från havsalger i detta område kan utgöra så mycket som hälften av det totala sura nedfallet.
Schneider och Kays teori
Lovelocks teori har på senare år bekräftats av många undersökningar. En av de kraftfullaste stöden har emellertid kommit från ett något oväntat håll, från amerikanen Eric Schneiders och kanadensaren James Kays studier av hur termodynamiken inverkar på levande systems förmåga att organisera sig. För att förklara deras teori måste vi först gå in på lite grundläggande termodynamik.Termodynamikens huvudsatser
Grundläggande för alla fysiska och kemiska processer är termodynamikens huvudsatser. De har formulerats på många olika sätt, men en vanlig beskrivning är de två följande satserna:- Energi kan inte bildas eller förstöras
- Vid varje energiomvandling minskar energins kvalitet
Alla som pratar om energikonsumtion eller energiproduktion har uppenbarligen inte förstått detta.
Den andra satsen talar om vad man kan göra med energin.
Olika slags energi har olika förmåga att uträtta arbete. El och solljus kan omvandlas till många andra energiformer, t.ex. rörelse, kemisk energi, lägesenergi, värme etc. De har stor förmåga att användas till ‘nyttigt’ arbete.
Ett annat ord för detta är att de har högt exergi-innehåll. Så fort man använder energin till något minskar emellertid dess förmåga att användas, dess innehåll av exergi minskar. Man kan omvandla solljus till el och el till mekaniskt arbete. Slutprodukten är alltid värme värme av rumstemperatur som inte kan omvandlas till några andra energiformer med högre exergiinnehåll. Sådan energi kan inte användas till att omvandlas till att utföra ‘nyttigt’ arbete alls.
Ändå kan vi tala om en kWh el som omvandlas till lika mycket, en kWh, mekanisk energi som till slut omvandlas till en kWh värme.
Att tala om ‘energi’ är som att tala om ‘mynt’. Det finns gula och vita och bruna mynt, små och stora. Att byta ett mynt mot tre mynt kan vara en dålig affär om det står ‘10’ på det mynt vi byter bort och ‘1’ på dem vi får. Ändå får vi fler mynt. Räknar vi bara antalet mynt så har vi vunnit på affären. Vi måste studera värdet av myntet för att kunna avgöra om vi har gjort en god eller dålig affär.
För att kunna studera energi måste man också undersöka ‘värdet’ av energin, dess exergiinnehåll.
Den andra huvudsatsen säger att så fort energi används till något minskar dess exergiinnehåll. I universum finns hela tiden lika mycket energi, i dag och om 10100 år. Men så fort två molekyler slår ihop någonstans i universum minskar universums exergiinnehåll. Exergi 'försvinner' alltså hela tiden ur universum. Om 10100 år finns nästan ingen exergi kvar alls. Det är detta tillstånd som brukar kallas för ‘värmedöden’.
Gäller termodynamikens huvudsatser?
Men om nu alla processer leder mot en minskning av universums exergiinnehåll ('allting sprids'), hur kommer det sig då att det finns sådana saker som pelargoner, ekorrar och människor? Sådana är ju anhopningar av material med ett högre exergiinnehåll än omgivningen och med en osannolikt hög organisation? Egentligen strider väl förekomsten av sådant mot andra huvudsatsen?Liv som exergikonsumtion
Schneider och Kay har presenterat en teori som gör att liv inte längre framstår som ett egendomligt undantag från termodynamiken, utan snarare en konsekvens av den.Termodynamikens lagar så som de ovan beskrevs, gäller egentligen bara för slutna system nära jämvikt, dvs. för förbrända system inneslutna i ideala termosflaskor.
Levande system är i stället öppna, dvs. de kan ta emot material och energi utifrån. De befinner sig dessutom långt från termodynamisk jämvikt. (Jämför t.ex. en levande fågel med samma fågel nära termodynamisk jämvikt, dvs. i form av aska och koldioxid efter förbränning)
Schneider och Kay konstaterar, genom en utveckling av termodynamikens lagar så att de gäller för system långt från jämvikt, att sådana organiserar sig så att de så effektivt som möjligt kan konsumera tillgänglig exergi.
Till skillnad från energin, som är oförstörbar, kommer ju (enligt andra lagen) exergi att förbrukas vid varje process. Levande system, t.ex. pelargoner, ekorrar, människor och ekosystem, utnyttjar på ett effektivt sätt arbetsförmågan i exergin till sina livsprocesser. De gör det så effektivt att de är bättre på att konsumera exergi än oorganiska molekyler som slår ihop på ett slumpartat sätt i universum. Det betyder, enkelt uttryckt, att levande system är bättre på att följa andra huvudsatsen än oorganiska, slumpartade system. Därför bildas levande system så snart det finns förutsättningar för detta, dvs. när exergitillgången är riklig och det tillgängliga materialet gör det möjligt att åstadkomma de komplicerade processer som utgör levande system.
Det innebär att liv är en konsekvens av universums struktur snarare än ett slumpartat undantag.
Kretslopp och diversitet
Satsen att gör det möjligt för oss att förstå sådana biologiska processer som evolution och ekologisk succession (ekologisk succession är det som gör att en plöjd åker så småningom utvecklar sig till en skog om den får vara i fred). Det gör det också möjligt för oss att förstå varför diversitet (t.ex. sällsynta arter) och kretslopp uppkommer i levande system.Diversiteten kan förklaras med att många arter gör det möjligt att utnyttja tillgängliga exergi- ”smulor”.
De ovanliga arterna är alltså en konsekvens av termodynamiken.
Kretslopp kan också förstås på samma sätt.
I ett ekosystem är vissa ämnen allmänt förekommande, t.ex. sådana som kan förekomma i gasform, som syre, väte, kväve och kol. Efter begagnandet kan de skickas upp i lufthavet och tas ned där de behövs. Sådana utgör också huvuddelen av levande organismers kroppar.
Andra ämnen har normalt inga gasfaser, t.ex. fosfor, vissa metaller o.dyl. En del av dessa icke gasformiga molekyler är i stället mycket vanliga, t.ex. natrium och kalium. Andra är mer ovanliga, t.ex. fosfor. Fosfor är i stället oerhört viktigt i biologiska processer. Vi tänker med fosfor, dvs. det är en energibärare i våra celler. Fosfor är också en viktig del av vår arvsmassa. Utan fosfor stannar livet, för att travestera vissa näringslivsorganisationer.
Levande system kan således begränsas av tillgången på fosfor. Det betyder också att tillgången på fosfor kommer att begränsa deras förmåga att ta upp och utnyttja exergi. Vi kan därför, ur Schneider och Kays omskrivning av termodynamikens huvudsatser, förstå att ett effektivt återutnyttjande av fosfor (och nitrat, NO3-, som är dyrt att framställa), blir en konsekvens av strävan efter att utnyttja exergi så effektivt som möjligt.
Väl utvecklade ekosystem har alltså en bättre förmåga att återanvända begränsande ämnen än sådana som är ekologiskt mindre effektiva. Vi kan också vända på satsen: Ekologiska system som har dålig förmåga att behålla sitt fosfor och nitrat är outvecklade och ineffektiva.
(Vad säger detta om människans ekosystem?)
Våra vita tusenskönor
Schneider och Kays teori gör det möjligt för oss att identifiera våra ‘vita tusenskönor’ på jorden, dvs. vad som gör att jorden inte är 250° varm.För att kunna göra detta måste vi emellertid förstå hur exergikonsumtion ter sig i praktiken.
Anta att en viss mängd solljus träffar en yta på jorden.
På den ytan har vi, för experimentets skull, en ideal spegel (som inte finns, precis som de friktionsfria plan som vi pratade om i skolan). Precis samma exergimängd lämnar spegeln som den som kommer in i den. Låt oss, för tankegångens skull, anta att detta ljus har en temperatur av 80°.
Nu placerar vi en asfaltyta på marken i stället för den ideala spegeln. Av den exergi som kommer in förbrukas nu en del genom kvantprocesser i asfalten. Temperaturen i den utgående strålningen blir lägre, säg. 70°
Nu planterar vi gräs på ytan i stället för att ha asfalt där. Förutom i kvantprocesserna kommer en hel del exergi att förbrukas genom gräsets metabolism, dvs. genom dess fotosyntes- och andningsprocesser. Det reflekterade ljusets exergiinnehåll blir lägre, säg att temperaturen blir 40°.
Efter en tid kommer gräsmattan att vara bevuxen av buskar och andra perenna växter. När samma ljusmängd träffar denna yta kommer ytterligare exergi att förbrukas genom metaboliska processer. Det reflekterade ljusets temperatur blir säg, 30°.
Efter en lång tid kommer buskområdet att ha omvandlats till mogen skog. De metaboliska processerna har blivit ännu fler på grund av att växterna har blivit fler och älgar och rävar och talgoxar har bosatt sig där. Nu är det reflekterade ljusets temperatur bara 20°.
Genom detta resonemang kan vi förstå att ju mognare ekosystemet är, desto mer av det instrålade ljusets exergi har förbrukats och desto svalare är det på ytan. Detta har bekräftats genom mätningar vid överflygningar av olika landskap.
Den som inte har tillgång till ideala speglar eller inte har tid att vänta tills gräsmattan har blivit storskog kan själv göra följande enkla experiment:
Tag en vanlig benjaminfikus eller någon annan inomhusväxt. Skaffa sedan en plastmodell av samma växt, en sådan som man brukar användas i lokaler där man nöjer sig med bilder av växter i stället för riktiga. De kan vara svåra att skilja åt vid första anblicken, men det finns ett säkert sätt. Håll i bladen på plastmodellen och i den riktiga växten. Plastmodellen har snabbt antagit rumstemperatur, men den riktiga växten är kallare. Dess metaboliska processer (fotsyntes och avdunstning) gör att den använder lite av den tillgängliga exergin och på så sätt är svalare än plastmodellen, som inte gör det. Ännu större blir naturligtvis skillnaden om man ställer dem i ett fönster där solen skiner.
Nu åter till frågan om de vita tusenskönorna: Det är naturligtvis de mogna ekosystemen som är våra vita tusenskönor! Det är de som håller jorden mycket svalare än den egentligen skulle vara (tabell a). Ju effektivare och mognare ekosystemen är, desto svalare är de.
Vilka är då våra effektivaste ekosystem? De tropiska regnskogarna förstås. Det är fel att tro att regnskogarna är ‘jordens lungor’, faktiskt helt fel eftersom mogna ekosystem använder lika mycket syre som de producerar. I stället är de ‘jordens luftkonditioneringsanläggningar’ eftersom de håller jorden sval.
På figur b kan just detta ses. De mörkblå, svala områdena i Syd är de områden där våra krympande regnskogar fortfarande befinner sig. Det är djupt olyckligt att vi, samtidigt som vi släpper ut växthusgaser (bl.a. CO2) från förbränning av fossila bränslen i Nord, vilket gör att jordens värmestrålning har svårare att lämna jorden, samtidigt också håller på att utplåna våra kylanläggningar i Syd.
Figur B. Ett satellitfoto av jorden utgående långvågiga (kalla) strålning taget under den årstid som innebär vinter på norra halvklotet. Mörkblått innebär svala områden (se t.ex. Europa och Nord-amerika). Rött är varmt (t.ex.. Etiopien och centrala Australien). Lägg märke till att de områden där det finns tropiska regnskogar är svala.
Det vi behöver frukta är alltså inte att vi får en ny istid, utan att vi inte får någon ny istid.