Le idee essenziali che sono alla base dei vari modelli di sistemi auto-organizzantisi descritti nelle pagine precedenti presero tutte forma nei primi anni Sessanta.
Negli Stati Uniti, Heinz von Foester costituì un proprio gruppo di ricerca interdisciplinare e tenne diverse conferenze sull’auto-organizzazione; in Belgio, Ilya Prigogine scoprì il legame cruciale fra sistemi lontano dall’equilibrio e non linearità; in Germania, Hermann Haken sviluppò la sua teoria non lineare del laser e Manfred Eigen lavorò sui cicli catalitici; e in Cile, Maturana si concentrò sul mistero dell’organizzazione dei sistemi viventi.
Contemporaneamente, il chimico dell’atmosfera James Lovelock ebbe un’intuizione illuminante che lo portò a formulare un modello che rappresenta forse l’espressione più sorprendente e più bella di auto-organizzazione: l’idea che il pianeta Terra nella sua interezza sia un sistema vivente auto-organizzantesi.
L’audace ipotesi di Lovelock ha le sue origini negli esordi del programma spaziale della NASA. Benché l’idea della terra come entità viva sia molto antica e benché nel corso dei secoli fossero state formulate molte teorie speculative sul pianeta come sistema vivente, furono i voli spaziali dei primi anni Sessanta a dare per la prima volta la possibilità all’uomo di osservare davvero il nostro pianeta dallo spazio e di percepirlo nella sua interezza. Questa visione della Terra in tutto il suo splendore – un globo azzurro e bianco sospeso nelle tenebre dello spazio – commosse profondamente gli astronauti e, come molti di loro hanno dichiarato, fu un’esperienza spirituale intensa che cambiò per sempre il loro rapporto con la Terra. Le splendide fotografie del globo terrestre che questi astronauti riportarono dai loro viaggi fornirono il più efficace dei simboli del movimento ecologico mondiale.
Mentre gli astronauti osservavano il pianeta e contemplavano la sua bellezza, anche l’ambiente della terra veniva studiato dallo spazio attraverso i sensori degli strumenti scientifici, così come l’ambiente lunare e quello dei pianeti vicini. Negli anni Sessanta, gli americani e i sovietici, lanciarono oltre cinquanta sonde spaziali destinate per lo più all’esplorazione della luna, ma alcune continuarono il loro viaggio verso Venere e Marte.
A quel tempo, la NASA invitò James Lovelock presso il Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, in California, perché contribuisse alla progettazione degli strumenti per scoprire eventuali forme di vita su Marte. La NASA progettava di mandare su Marte una navicella spaziale che avrebbe cercato forme di vita sul luogo dell’atterraggio attraverso una serie di esperimenti eseguiti sul suolo marziano. Mentre si occupava dei problemi tecnici della progettazione degli strumenti, Lovelock si pose una domanda più generale: come possiamo essere sicuri che le forme di vita di tipo marziano, se ne esistono, siano rilevabili attraverso gli esperimenti basati sul tipo di vita presente sulla Terra? Col passare dei mesi e degli anni, questa domanda lo portò a riflettere a fondo sulla natura della vita e sul modo in cui la si può individuare.
Lovelock si rese conto, meditando su questo problema, che il fatto che tutti gli organismi viventi assorbono energia e materia e liberano prodotti di scarto era la caratteristica più generale di vita che si potesse identificare. Proprio come Prigogine, egli pensava che fosse possibile esprimere matematicamente questa caratteristica fondamentale in termini di entropia, ma poi il suo ragionamento seguì un altra direzione.
Lovelock suppose che la vita su un qualsiasi pianeta avrebbe usato l’atmosfera e gli oceani come mezzi fluidi da cui trarre le materie prime e in cui disperdere i prodotti di scarto. Quindi, congetturò, ci dovrebbe essere la possibilità, in qualche modo, di rivelare l’esistenza della vita attraverso l’analisi dell’atmosfera di un pianeta. Così, se ci fosse vita su Marte, nell’atmosfera marziana dovrebbe apparire una particolare combinazione di gas, una “firma” caratteristica che sarebbe possibile scoprire anche dalla Terra.
Queste ipotesi furono confermate in modo spettacolare quando Lovelock e un collega, Dian Hitchcock, diedero inizio ad un’analisi sistematica dell’atmosfera marziana attraverso osservazioni compiute dalla Terra, e confrontarono i risultati con quelli di un’ analisi simile dell’atmosfera terrestre. Essi scoprirono che la composizione chimica delle due atmosfere era sorprendentemente diversa. Mentre nell’atmosfera marziana c’è pochissimo ossigeno, molta anidride carbonica (CO2) e non c’è metano, l’atmosfera terrestre contiene imponenti quantità di ossigeno, quantità irrisorie di CO2 e molto metano.
Lovelock si rese conto che la ragione di quella particolare configurazione atmosferica su Marte è che su un pianeta privo di vita, tutte le possibili reazioni chimiche fra i gas dell’atmosfera erano state completate da molto tempo. Oggi, su Marte non sono più possibili altre reazioni chimiche; nell’atmosfera marziana c’è un equilibrio chimo completo.
La situazione terrestre è esattamente opposta. L’atmosfera terrestre contiene gas quali l’ossigeno e il metano, che hanno una grande probabilità di reagire fra di loro ma che tuttavia coesistono in grandi proporzioni, dando luogo ad una miscela di gas lontana dall’equilibrio termico. Lovelock concluse che questa condizione particolare deve essere causata dalla presenza della vita sulla Terra. Le piante producono costantemente ossigeno, e altri organismi producono altri gas, cosicché c’è un continuo rifornimento dei gas atmosferici che subiscono reazioni chimiche.
In altre parole, Lovelock identificò nell’atmosfera terrestre un sistema aperto, lontano dall’equilibrio, caratterizzato da un flusso costante di energia e materia. La sua analisi chimica gli permise di identificare il marchio distintivo della vita.
Questa intuizione fu così importante per Lovelock che egli ricorda ancora il momento esatto in cui l’ebbe:
Personalmente, la rivelazione di Gaia mi giunse all’improvviso, come un’illuminazione fulminea. Ero in un piccolo locale all’ultimo piano del Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, in California. Era l’autunno del 1965,…e discutevo con un collega, Dian Hitchcock, di un documento che stavamo preparando… fu in quel momento che intravidi Gaia. Mi venne un pensiero sconcertante. L’atmosfera della terra era una miscela di gas straordinaria e instabile, eppure sapevo che la sua composizione rimaneva costante per periodi di tempo assai lunghi. Era possibile che la vita sulla Terra non solo creasse l’atmosfera, ma che la regolasse, mantenendone la composizione costante e a un livello favorevole alla vita degli organismi?
Il processo di autoregolazione è il cardine dell’ipotesi di Lovelock. Egli sapeva che il calore del sole è aumentato del 25% da quando è comparsa la vita sulla Terra e che, a dispetto di questo aumento, la temperatura sulla terra è rimasta costante, a un livello adatto alla vita, per quattro miliardi di anni. E se la Terra fosse in grado di regolare la propria temperatura, si chiese, e le altre condizioni del pianeta – la composizione dell’atmosfera, la salinità del mare eccetera – proprio come certi organismi viventi sono in grado di autoregolare e mantenere costanti la temperatura corporea e le altre variabili? Lovelock capì che quest’ipotesi equivaleva ad una frattura radicale con la scienza convenzionale:
Bisogna intendere la teoria di Gaia come un’alternativa al sapere convenzionale che considera la Terra un pianeta morto fatto di rocce, oceani e atmosfera inanimati, e semplicemente abitato dalla vita. Bisogna considerare la Terra come un vero e proprio sistema, che comprende tutta quanta la vita e tutto quanto il suo ambiente strettamente accoppiati così da formare un’entità che si autoregola.
Agli scienziati spaziali della NASA, per inciso, la scoperta di Lovelock non piacque affatto. Per la missione Viking su Marte avevano predisposto un impressionante apparato di esperimenti atti alla rivelazione della vita, e adesso Lovelock stava dicendo loro che non c’era proprio nessuna necessità di mandare una navicella sul pianeta rosso in cerca della vita. Tutto ciò di cui avevano bisogno era un’analisi dell’atmosfera marziana, che si poteva eseguire facilmente dalla Terra per mezzo di un telescopio. Non sorprende che alla NASA non tennero conto dei consigli di Lovelock e che continuarono lo sviluppo del programma Viking. La loro navicella spaziale atterrò su Marte molti anni dopo e, come Lovelock aveva predetto, non trovò tracce di vita.
Nel 1969 Lovelock presentò per la prima volta la sua ipotesi della Terra come sistema che si autoregola a un congresso scientifico a Princeton. Poco tempo dopo, un amico romanziere, riconoscendo nell’idea di Lovelock la rinascita di un mito antico e potente, suggerì il nome di “ipotesi di Gaia” in onore della dea greca della Terra. Lovelock accettò volentieri il suo consiglio e nel 1972 pubblicò la prima ampia visione della sua idea in un articolo intitolato “Gaia as seen through the atmosphere”.
A quel tempo, Lovelock non aveva idea di come la Terra potesse regolare la propria temperatura la composizione dell’atmosfera, ma sapeva soltanto che i processi di autoregolazione dovevano riguardare organismi presenti nella biosfera. Egli non sapeva nemmeno quali organismi producessero i gas, e quali fossero questi gas. Nello stesso periodo, tuttavia, la microbiologa americana Lynn Margulis stava studiando proprio quei processi che Lovelock aveva bisogno di comprendere: la produzione e l’eliminazione di gas da parte di vari organismi, soprattutto da parte delle miriadi di batteri presenti nel suolo terrestre. Margulis ricorda che cominciò a chiedersi: “perché tutti concordano sul fatto che l’ossigeno dell’atmosfera… proviene dalla vita, ma nessuno parla degli altri gas atmosferici che provengono dalla vita?”.
Ben preso molti colleghi le suggerirono di parlarne con James Lovelock, e ciò condusse a una collaborazione lunga e fruttuosa da cui scaturì l’ipotesi scientifica di Gaia nella sua completezza.
James Lovelock e Lynn Margulis scoprirono che le loro esperienze scientifiche e le loro aree di competenza costituivano una combinazione perfetta. Margulis non aveva alcun problema a rispondere alle tante domande di Lovelock sulle origini biologiche dei gas atmosferici, mentre Lovelock contribuì alla nascita della teoria di Gaia con i concetti propri della chimica, della termodinamica e della cibernetica. In tal modo i due scienziati furono in grado di identificare gradualmente una rete complessa di anelli di retroazione che – ipotizzarono – conducevano all’autoregolazione del sistema planetario.
La caratteristica notevole di questi anelli di retroazione è che essi collegano sistemi viventi e non viventi. Non possiamo più pensare alle rocce, agli animali e alle piante come se fossero entità separate. La teoria di Gaia dimostra che c’è una stretta concatenazione fra le parti viventi del pianeta – piante, microrganismi e animali – e le sue parti non viventi – rocce, oceani e atmosfera.
Il ciclo dell’anidride carbonica illustra bene questo punto. Da milioni di anni i vulcani terrestri espellono quantità enormi di anidride carbonica (CO2). Dato che il CO2 è uno dei gas che più contribuiscono all’effetto serra, Gaia ha la necessità di eliminarlo dall’atmosfera, altrimenti la sua temperatura diverrebbe troppo alta e la vita si estinguerebbe. Piante e animali riciclano imponenti quantità di CO2 e di ossigeno nei processi di fotosintesi, respirazione e putrefazione. Eppure, questi scambi si bilanciano sempre e non hanno alcun effetto sul livello di CO2 nell’atmosfera. Secondo la teoria di Gaia, l’eccesso di anidride carbonica nell’atmosfera, viene eliminato attraverso un immenso anello di retroazione in cui la degradazione meteorica costituisce un anello fondamentale.
Nel processo di degradazione meteorica, le rocce della crosta terrestre si combinano con l’acqua piovana e l’anidride carbonica per formare vari composti chimici chiamati carbonati. In tal modo il CO2 viene sottratto all’atmosfera e trattenuto in soluzioni liquide. Questi processi sono puramente chimici e non richiedono la partecipazione di organismi viventi. Tuttavia, Lovelock e altri scienziati scoprirono che la presenza di batteri nel suolo accresce enormemente la rapidità del processo di degradazione meteorica. In un certo senso, i batteri presenti nel suolo agiscono come catalizzatori nel processo di degradazione meteorica, e l’intero ciclo dell’anidride carbonica può essere considerato l’equivalente biologico dei cicli catalitici studiati da Manfred Eigen.
In seguito i carbonati si disperdono nell’oceano dove minuscole alghe, invisibili a occhio nudo, li assorbono e li usano per costruire elaborati gusci di gesso (carbonato di calcio). Così il CO2 che era nell’atmosfera ora è finito nei gusci di queste minuscole alghe. Inoltre, le alghe oceaniche assorbono altra anidride carbonica direttamente dall’aria.
Quando le alghe muoiono, i loro gusci si depositano sul fondo dell’oceano dove formano estesi sedimenti di calcare (un’altra forma del carbonato di calcio). A causa del loro enorme peso, i sedimenti di calcare affondano lentamente nel mantello terrestre e si sciolgono, e possono perfino innescare il movimento delle zolle tettoniche. Infine, una parte del CO2 contenuto nelle rocce fuse viene di nuovo espulso dai vulcani e dà inizio a un nuovo nel grande ciclo gaiano.
L’intero ciclo, che collega i vulcani alla degradazione meteorica, ai batteri del suolo, alle alghe oceaniche, ai sedimenti di calcare e di nuovo ai vulcani – agisce come un gigantesco anello di retroazione, che contribuisce alla regolazione della temperatura della Terra. Quando il riscaldamento solare aumenta, viene stimolata l’azione dei batteri nel suolo, il che accresce la rapidità del processo di degradazione meteorica. A sua volta, questo processo elimina maggiori quantità di CO2 dall’atmosfera e quindi raffredda il pianeta. Secondo Lovelock e Margulis, cicli di retroazione simili – che legano fra di loro vegetali e rocce, animali e gas atmosferici, microrganismi e oceani, regolano il clima della Terra, la salinità dei suoi oceani e altre importanti condizioni planetarie.
La teoria di Gaia studia la vita da un punto di vita sistemico, riunendo nozioni di geologia, microbiologia, chimica dell’atmosfera e altre discipline su cui i rispettivi esperti non sono abituati a scambiarsi informazioni. Lovelock e Margulis sfidarono la visione convenzionale secondo cui queste discipline sono separate, le forze geologiche hanno stabilito le condizioni per la vita sulla Terra, e le piante e gli animali sono stati semplicemente degli ospiti passeggeri che per caso hanno trovato proprio le condizioni giuste per la loro evoluzione. Secondo la teoria di Gaia, la vita crea le condizioni della sua stessa esistenza. Scrive Lynn Margulis:
Detto in modo semplice, l’ipotesi [di Gaia] afferma che la superficie della Terra, che abbiamo sempre considerato come “l’ambiente” della vita, fa realmente “parte” della vita. L’involucro d’aria – la troposfera – dovrebbe essere considerato un sistema circolatorio prodotto e sostenuto dalla vita… Quando gli scienziati ci dicono che la vita si adatta ad un ambiente essenzialmente passivo, fatto di chimica, fisica e rocce, perpetuano una visione gravemente distorta. In realtà la vita realizza, forma e modifica l’ambiente a cui si adatta. Allora, quell’ “ambiente” agisce a sua volta sulla vita che sta cambiando e agendo e crescendo in esso. Ci sono dunque delle iterazioni cicliche costanti.
Da principio, la resistenza della comunità scientifica a questa nuova visione della vita fu così forte che gli autori non poterono pubblicare la loro ipotesi. Le riviste accademiche più affermate, come Science e Nature, respinsero i loro articoli.
Alla fine, l’astronomo Carl Sagan, che era direttore della rivista Icarus, invitò Lovelock e Margulis a pubblicare l’ipotesi di Gaia sulla sua rivista. E’ interessante notare che di tutte le teorie e i modelli di auto-organizzazione, l’ipotesi di Gaia fu quella che incontrò le resistenze di gran lunga più forti. Si è tentati di credere che questa reazione del tutto irrazionale dell’ establishment scientifico sia stata scatenata dall’evocazione di Gaia, mito e archetipo potente.
Di fatto, l’immagine di Gaia come essere senziente fu la principale ragione implicita nel rifiuto dell’ipotesi di Gaia dopo la sua pubblicazione. Gli scienziati espressero questo rifiuto sostenendo che l’ipotesi non era scientifica perché era teleologica, cioè sottintendeva l’idea che i processi naturali fossero diretti da un’intenzione.
“Né Lynn Margulis né io abbiamo mai sostenuto che l’autoregolazione planetaria sia intenzionale” protestava Lovelock. “Eppure ci siamo trovati di fronte ad una critica persistente, quasi dogmatica, secondo cui la nostra ipotesi è teleologica”.
Questa critica riprende il vecchio dibattito fra meccanicisti e vitalisti. Mentre i meccanicisti sostengono che tutti i fenomeni biologici alla fine saranno spiegati per mezzo delle leggi della chimica e della fisica, i vitalisti postulano l’esistenza di un’entità non fisica, un agente causale che dirige quei processi della vita che sfidano le spiegazioni meccanicistiche. La teleologia – dal greco telos (“intento”), asserisce che l’agente causale postulato dal vitalismo è intenzionale, che nella natura c’è un intento, un progetto. I meccanicisti, opponendosi agli argomenti vitalistici e teleologici, non riescono ad aggirare lo scoglio della metafora newtoniana che paragona dio a un grande orologiaio. Grazie alla teoria dei sistemi viventi che sta sorgendo attualmente, il dibattito fra meccanicismo e teleologia è stato finalmente superato. Come vedremo, questa teoria considera la natura vivente come un’entità conscia e intelligente senza il bisogno di presupporre l’esistenza di un qualche progetto o intenzione globale.
I rappresentanti della biologia meccanicistica attaccarono l’ipotesi di Gaia in quanto teleologica, poiché non riuscivano a immaginare come la vita sulla Terra potesse creare e regolare le condizioni per la sua stessa esistenza senza che fosse cosciente e dotata di intenzionalità.
“Ci sono riunioni di comitato delle specie per negoziare la temperatura dell’anno successivo?” chiedevano questi critici con un umorismo malevolo.
Lovelock rispose con un ingegnoso modello matematico, che chiamò “Daisyworld” (mondo delle margherite). Rappresentava un sistema gaiano enormemente semplificato, in cui risulta assolutamente chiaro che la regolazione della temperatura è una proprietà emergente del sistema che nasce in modo automatico, senza l’intervento di alcuna azione intenzionale, come conseguenza di anelli di retroazione fra gli organismi del pianeta e il loro ambiente.
Daisyworld è un modello di pianeta realizzato al computer, scaldato da un sole la cui radiazione termica aumenta costantemente e in cui crescono solo due specie di vegetali: margherite nere e margherite bianche. I semi di queste margherite sono sparsi su tutta la superficie del pianeta che è umida e fertile ovunque, ma le margherite possono crescere solo entro certi limiti di temperatura.
Lovelock inserì nel suo computer le equazioni matematiche corrispondenti a tutte queste condizioni, stabilì che la temperatura iniziale del pianeta fosse al punto di congelamento e fece partire il modello sul computer. L’evoluzione dell’ecosistema di Daisyworld avrebbe portato a un’autoregolazione del clima? Era questa la domanda cruciale che egli si poneva.
I risultati furono spettacolari. Poiché il pianeta si riscalda, ad un certo punto l’equatore diventa abbastanza caldo per la comparsa della vita vegetale. Le margherite nere compaiono per prime poiché assorbono meglio il calore rispetto alle margherite bianche e sono quindi più adatte alla sopravvivenza e alla riproduzione. Così, nella prima fase della sua evoluzione, Daisyworld mostra un anello di margherite nere sparse attorno all’equatore.
Quando il pianeta si riscalda ulteriormente, l’equatore diventa troppo caldo per la sopravvivenza delle margherite nere, che cominciano a colonizzare le zone subtropicali. Nello stesso tempo, attorno all’equatore compaiono le margherite bianche. Dato che sono bianche, riflettono calore e diminuiscono la propria temperatura, il che permette loro di sopravvivere nelle zone più calde meglio delle margherite nere. Nella seconda fase, dunque, c’è un anello di margherite bianche attorno all’equatore, e le zone subtropicali e temperate si riempiono di margherite nere, mentre attorno ai poli fa ancora troppo freddo perché crescano margherite.
Poi il sole diviene ancora più caldo e la vita vegetale si estingue all’equatore, dove ora la temperatura è troppo elevata anche per le margherite bianche. Nel frattempo, le margherite bianche hanno iniziato a prendere il posto di quelle nere nelle zone temperate, e le margherite nere stanno cominciando a comparire attorno ai poli.
Così nella terza fase il pianeta mostra l’equatore spoglio, le zone temperate popolate di margherite bianche e le zone circumpolari piene di margherite nere, con le sole calotte polari prive di vita vegetale. Nell’ultima fase, infine, regioni estese attorno all’equatore e nelle zone subtropicali sono ormai troppo calde perché le margherite sopravvivano, mentre ci sono margherite bianche nelle zone temperate e margherite nere ai poli. Dopodichè, sul modello di pianeta la temperatura diventa troppo alta perché crescano margherite e la vita su Daisyworld si estingue.
Queste sono le dinamiche di base del sistema di Daisyworld. La proprietà fondamentale del modello che causa l’autoregolazione consiste nel fatto che le margherite nere, assorbendo calore, non scaldano solo se stesse, ma anche il pianeta. Analogamente, mentre le margherite bianche riflettono il calore e raffreddano se stesse, raffreddano anche il pianeta. Quindi il calore viene assorbito e riflesso durante tutta l’evoluzione di Daisyworld, a seconda delle specie di margherite che vi crescono.
Quando Lovelock tracciò un grafico che rappresentava i cambiamenti di temperatura sul pianeta durante la sua evoluzione, ottenne un risultato sorprendente: la temperatura del pianeta rimane costante per tutte le quattro fasi. Quando il sole è relativamente freddo, Daisyworld aumenta la sua temperatura per mezzo dell’assorbimento di calore da parte delle margherite nere; quando aumenta il calore solare, la temperatura viene abbassata gradualmente a causa del progressivo predominio delle margherite bianche che riflettono il calore. Così, daisyworld, senza alcuna prescienza o pianificazione, “regola la propria temperatura per un ampio periodo di tempo attraverso la danza delle margherite”.
Gli anelli di retroazione che collegano gli influssi ambientali alla crescita delle margherite , che a loro volta influenzano l’ambiente, sono una caratteristica fondamentale di Daisyworld. Quando il ciclo viene interrotto, in modo che le margherite non abbiano più alcuna influenza sull’ambiente, la popolazione delle margherite fluttua in maniera incontrollata e l’intero sistema diventa caotico. Ma non appena gli anelli vengono chiusi ricollegando le margherite all’ambiente, il modello si stabilizza ed entra in gioco il meccanismo dell’autoregolazione.
Da allora, Lovelock ha progettato versioni molto più sofisticate di Daisyworld. Invece di due, nei nuovi modelli sono previste molte specie di margherite con pigmenti variabili; in alcuni modelli le margherite si evolvono e cambiano colore; in altri ci sono conigli che mangiano le margherite e così via. Il risultato finale di questi modelli di elevata complessità è che le piccole oscillazioni di temperatura presenti nel modello originale di Daisyworld si smorzano e il meccanismo di autoregolazione diventa sempre più stabile man mano che cresce la complessità del modello.
Lovelock inserì eventi catastrofici che eliminavano il 30% delle margherite a intervalli regolari. Scoprì che l’autoregolazione di Daisyworld risponde con notevole elasticità a queste gravi alterazioni.
Tutti questi modelli generarono vivaci discussioni fra biologi, geofisici e geochimica, e dal momento in cui furono pubblicati per la prima volta l’ipotesi Gaia ha ottenuto un rispetto molto maggiore nella comunità scientifica. Oggi, in effetti, diversi gruppi di ricerca in varie parti del mondo lavorano su formulazioni dettagliate della teoria di Gaia
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