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A partir dos anos 1960 Lovelock começou a desenvolver uma hipótese científica que veio a ser batizada Hipótese de Gaia, postulando que os organismos vivos modificam seu ambiente inorgânico de maneira favorável à sua sobrevivência, formando juntos um sistema complexo e autorregulado que funciona de maneira semelhante a um único organismo vivo. A hipótese foi duramente criticada em seu aparecimento, mas com o passar do tempo seus elementos mais essenciais foram largamente aceitos pela comunidade científica. A hipótese permanece em parte controversa, mas abriu todo um novo campo de estudos interdisciplinares nas Ciências da Terra e contribuiu para a formação de uma visão holística da vida e da evolução no planeta, afastando-se do mecanicismo clássico. A relevante contribuição à ciência dada através desta hipótese lhe valeu a prestigiada Medalha Wollaston da Sociedade Geológica de Londres.