กลไกการปรับสมดุลโลก

สมมติฐานไกอา

ปี พ.ศ.2515 เจมส์ เลิฟล็อค (James Lovelock) นักชีวเคมีชาวอังกฤษ ได้เสนอสมมติฐานที่ว่า โลกทั้งดวงคือ สิ่งมีชีวิตขนาดมหึมา สิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลกนี้ต่างเป็นเซลล์ชีวิตของโลก ซึ่งมีบทบาทในการปรับสมดุลของโลก เลิฟล็อคตั้งข้อสังเกตว่า ร่างกายของมนุษย์ในสภาวะปกติรักษาอุณหภูมิที่ 37°C ไว้คงที่ ด้วยระบบต่างๆ ได้แก่ ระบบหายใจ ระบบอาหาร ระบบกล้ามเนื้อ ระบบประสาท เป็นต้น โลกของเราก็เช่นกัน อุณหภูมิของพื้นผิวโลกไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปมาก นับตั้งแต่โลกกำเนิดขึ้นมาหลายพันล้านปีมาแล้ว ทั้งนี้เป็นเนื่องจากโลกมีกลไกหลายระบบ ได้แก่ บรรยากาศ น้ำ ธรณี และสิ่งมีชีวิต ทำงานร่วมกันเพื่อที่จะรักษาสมดุลไว้เช่นเดียวกับร่างกายของมนุษย์ เลิฟล็อกตั้งชื่อสมมติฐานนี้ว่า “สมมติฐานไกอา” (Gaia hypothesis) คำว่า “ไกอา” เป็นภาษากรีกแปลว่า “เทพแห่งโลก”

เราอาจทำความเข้าใจสมมติฐานไกอา โดยพิจารณาเปรียบเทียบโลกกับต้นไม้ ต้นไม้เป็นสิ่งมีชีวิต หากดูภาคตัดขวางของต้นไม้จะเห็นว่า เนื้อไม้ที่อยู่ภายในเป็นของแข็งไม่มีการเปลี่ยนแปลงอะไร ส่วนที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดอยู่ที่บริเวณเปลือกไม้ รากไม้ กิ่งอ่อน ใบ ดอก และผล องค์ประกอบเหล่านี้ทำหน้าที่ร่วมกันทำให้ต้นไม้ทั้งต้นมีชีวิตอยู่ได้ หากขาดส่วนใดส่วนหนึ่งต้นไม้ก็ไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ คงเหลือเพียงลำต้นที่แห้งตาย โลกก็เช่นกัน ภายในโลกไม่มีสิ่งมีชีวิต แต่บริเวณเปลือกโลกทั้งบนพื้นผิวทั้งบนบกและในน้ำเต็มไปด้วยสิ่งมีชีวิต ทั้งพืชและสัตว์ต่างทำหน้าที่ในการควบคุมองค์ประกอบเคมีของบรรยากาศ ทำให้พื้นผิวโลกมีอุณหภูมิคงที่ หากโลกร้อนหรือเย็นเกินไปสิ่งมีชีวิตไม่สามารถทนทานได้ โลกก็จะเปรียบเสมือนดาวเคราะห์ที่ตายไปแล้ว ดังเช่น ดวงจันทร์ และดาวอังคาร เป็นต้น

ภาพที่ 1 เจมส์ เลิฟล็อค

เจมส์ เลิฟล็อค อธิบายสมมติฐานไกอาโดยใช้แบบจำลองโลกของดอกเดซี่ (Daisy World) สมมติว่าในระบบสุริยะมีดาวเคราะห์ดวงหนึ่งมีขนาดและวงโคจรเหมือนกับโลกของเราทุกประการ พื้นผิวของดาวถูกปกคลุมไปด้วยดอกเดซี่หลายหลากสีซึ่งมีทั้งสีเข้มและสีอ่อน (คล้ายกับดอกเบญจมาศ) ไปทั่วทั้งดวงดังภาพที่ 2 ดอกเดซี่สีเข้มมีหน้าที่ดูดกลืนรังสีจากดวงอาทิตย์ทำให้พื้นผิวดาวมีอุณหภูมิสูงขึ้น ดอกเดซี่สีอ่อนมีหน้าที่สะท้อนแสงอาทิตย์ทำให้พื้นผิวดาวมีอุณหภูมิต่ำลง สมดุลประชากรของดอกเดซี่ทั้งสองชนิดเป็นกลไกปรับอุณหภูมิพื้นผิวของดาว ดังนี้

ภาพที่ 2 โลกของดอกเดซี่

ในอดีตดวงอาทิตย์ยังมีขนาดเล็กและมีความสว่างน้อย พื้นผิวของดาวเคราะห์มีอุณหภูมิต่ำ

- - ดอกเดซี่สีเข้มชอบอุณหภูมิต่ำ งอกงามและแพร่พันธุ์ ทำให้อุณหภูมิพื้นผิวของดาวเคราะห์สูงขึ้น
  - ดอกเดซี่สีอ่อนไม่ชอบอุณหภูมิต่ำ จึงแพร่พันธุ์ไม่มากนัก

กาลต่อมาเมื่อดวงอาทิตย์ขยายตัวและมีความสว่างมาก พื้นผิวของดาวเคราะห์มีอุณหภูมิสูงขึ้น

- - ดอกเดซี่สีเข้มไม่ชอบอุณหภูมิสูง ไม่สามารถแพร่พันธุ์ต่อไป
  - ดอกเดซี่สีอ่อนชอบอุณหภูมิสูง งอกงามและแพร่พันธุ์ ทำให้อุณหภูมิพื้นผิวของดาวเคราะห์ต่ำลง

ความสัมพันธ์ระหว่างประชากรของดอกเดซี่แต่ละชนิดกับอุณหภูมิพื้นผิวของดาว แสดงด้วยกราฟในภาพที่ 3 การทำงานเช่นนี้มีลักษณะคล้ายเทอร์โมสตัท (สวิทส์ควบคุมอุณหภูมิ) ของเครื่องปรับอากาศซึ่งรักษาอุณหภูมิห้องให้คงที่ จำนวนประชากรของดอกไม้ทั้งสองประเภทเป็นกลไกในการควบคุมอุณหภูมิของดาวเคราะห์ ทว่าในความเป็นจริง โลกของเรามีระบบที่สลับซับซ้อนในการควบคุมอุณหภูมิของพื้นผิว ได้แก่ กระบวนการธรณีแปรสัณฐาน วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตและองค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ การหมุนเวียนของบรรยากาศและกระแสน้ำในมหาสมุทร เป็นต้น

ภาพที่ 3 กราฟแสดงความสัมพันธ์ของประชากรดอกเดซี่ กับ อุณหภูมิพื้นผิวดาว
ขณะที่ดวงอาทิตย์มีความสว่างมากขึ้น

เปรียบเทียบโลกกับดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน

ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร เป็นดาวเคราะห์ชั้นในซึ่งมีขนาดใกล้เคียงกัน (ภาพที่ 4) และอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ไม่มาก พลังงานที่ดาวเคราะห์แต่ละดวงได้รับจากดวงอาทิตย์จึงไม่แตกต่างกันมาก ในอดีตบรรยากาศของดาวเคราะห์ทั้งสามมีองค์ประกอบทางเคมีคล้ายคลึงกันมากคือ มีองค์ประกอบหลักเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งนอกจากจะมีคุณสมบัติเป็นก๊าซเรือนกระจกทำให้ดาวมีอุณหภูมิสูงแล้ว ยังเป็นก๊าซโมเลกุลใหญ่ซึ่งมีน้ำหนักมากทำให้ความกดอากาศสูงอีกด้วย ดังข้อมูลที่แสดงในตารางที่ 1

ภาพที่ 4 ดาวศุกร์ โลก ดาวอังคาร

ดาวศุกร์
มีขนาดเล็กกว่าโลกเพียงเล็กน้อย พื้นผิวของดาวศุกร์เต็มไปด้วยภูเขาไฟระเบิดและธารลาวา บรรยากาศของดาวศุกร์จึงคล้ายโลกในอดีตซึ่งเต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้เกิดมีภาวะเรือนกระจกชนิดกู่ไม่กลับ (Runaway greenhouse) อุณหภูมิเฉลี่ยสูง 480°C ความกดอากาศสูงกว่าบนพื้นผิวโลก 90 เท่า อุณหภูมิและความกดดันที่สูงมากเช่นนี้ทำให้น้ำบนดาวศุกร์มีสถานะเป็นก๊าซ (ไอน้ำ)

ดาวอังคาร
มีขนาดเล็กกว่าเกือบครึ่งหนึ่งแต่มีลักษณะคล้ายเคียงกับโลกมากที่สุด บรรยากาศของดาวอังคารเต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ในปัจจุบันบรรยากาศของดาวอังคารมีความหนาแน่นต่ำมาก ส่งผลให้ภาวะเรือนกระจกไม่ทำงานและมีอุณหภูมิต่ำถึง -59°C บรรยากาศของดาวอังคารมีก๊าซออกซิเจนเพียงเล็กน้อย ออกซิเจนส่วนใหญ่ทำปฏิกริยากับพื้นผิวของดาวจนเป็นสีแดงของสนิมเหล็ก ในอดีตดาวอังคารเคยมีบรรยากาศที่หนาแน่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก อุณหภูมิอบอุ่นจนน้ำสามารถดำรงอยู่ในสถานะของเหลวได้ ดังมีหลักฐานเป็นท้องน้ำที่เหือดแห้ง ร่องรอยน้ำไหล และตะกอนรูปพัด อย่างไรก็ตามในปัจจุบันยังมีน้ำแข็งจำนวนมากสะสมอยู่ที่บริเวณขั้วดาว และบางทีในอนาคตอีกหลายพันล้านปี เมื่อดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้น พื้นผิวของดาวอังคารจะกลับอบอุ่นขึ้นอีกครั้ง ทำให้น้ำแข็งที่ขั้วดาวละลายเติมเต็มแม่น้ำลำคลองและมหาสมุทรที่เคยเหือดแห้ง

โลก
ในยุคแรกของระบบสุริยะเมื่อดวงอาทิตย์ยังมีขนาดเล็ก บรรยากาศโลกเต็มไปด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาจากปล่องภูเขาไฟ พื้นผิวโลกมีความอุ่นเนื่องจากการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ ครั้นเวลาต่อมาเมื่อดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้น สิ่งมีชีวิตได้พัฒนาคลอโรฟิลล์เพื่อตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศมาสังเคราะห์เป็นอาหาร และปล่อยก๊าซออกซิเจนเข้าสู่บรรยากาศ เพื่อลดภาวะเรือนกระจก ทำให้อุณหภูมิพื้นผิวลดลง แต่เนื่องจากออกซิเจนมีความไวต่อการสันดาป ซึ่งอาจทำให้โลกทั้งดวงเกิดไฟไหม้ จึงมีวิวัฒนาการของสัตว์กินพืชเพื่อควบคุมปริมาณของออกซิเจน ประชากรของพืชและสัตว์ต่างทำงานร่วมกันในการรักษาสมดุลของอุณหภูมิโลก ดังกราฟที่แสดงในภาพที่ 5

ภาพที่ 5 กลไกการปรับสมดุลของโลก