蓋亞假說(shuō)的再認(rèn)識(shí)

蓋亞假說(shuō)的再認(rèn)識(shí)

一、地球的無(wú)所不在的生命活動(dòng)20世紀(jì)60年代，英國(guó)宇宙科學(xué)家詹姆斯韋洛在研究尋找金星生命證據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，生命的一般特征是吸收能量和物質(zhì)并從地球排出廢物。生物將星層作為循環(huán)交換的手段。就像我們收集的o2和氣體一樣?；鸾菢呛徒鹦鞘且粯拥?。其中約95%是b2，只有少量氧氣，沒(méi)有ch4，地球大氣約77%是b2，占27%。因此，星層在化學(xué)上是封閉的，沒(méi)有反應(yīng)。地球的大氣遠(yuǎn)離化學(xué)平衡，o2和ch4很容易反應(yīng)，形成b2和b2。浪漫認(rèn)為，這兩種氣體是充滿生命活動(dòng)的。從宇宙的角度來(lái)看，地球，尤其是與我們的鄰居相比，生命過(guò)程的總影響是地球本身的一個(gè)充滿活力的個(gè)體。世界上只有位于樹(shù)皮下和木材周圍的圓形層，它們的葉子、花和種子。同樣，地球上大多數(shù)人都死了。只有生活的土地才能被稱為“自然地理面”。周軍認(rèn)為，必須擴(kuò)大這個(gè)區(qū)域，以便于人類生存的家園，即自然地理環(huán)境。例如，前蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)者伊薩欽科（前蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)者伊薩欽科的研究），將流動(dòng)系統(tǒng)的底部邊界從地面移動(dòng)到相對(duì)于地面的流動(dòng)邊界（約20.30m，海洋可達(dá)100m）作為邊界。中國(guó)的牛文元認(rèn)為，有許多方法可以區(qū)分邊界的范圍。自然地理學(xué)家注意到土地和自然地理環(huán)境的變化，即地球的流動(dòng)邊界。例如，前蘇聯(lián)地理學(xué)家伊薩欽科（地質(zhì)科學(xué)家的）認(rèn)為，地球和大氣圈的深層和表層活動(dòng)對(duì)地球表面的影響，但太陽(yáng)和月亮也會(huì)對(duì)表面過(guò)程（如潮汐和其他）產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，因此表面系統(tǒng)的擴(kuò)張是必要的。在這方面，陳傳康認(rèn)為，不應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，而應(yīng)該根據(jù)研究問(wèn)題的性質(zhì)來(lái)感知它。在表面物質(zhì)系統(tǒng)中，生物圈處于核心，生命和水體從無(wú)機(jī)界（如潮汐等）回到無(wú)機(jī)界。這個(gè)循環(huán)過(guò)程對(duì)表面系統(tǒng)的發(fā)展起著重要作用。蓋亞假設(shè)世界不僅是對(duì)生命的裝飾，而且實(shí)際上是對(duì)生命的控制。雖然有限，但這種假設(shè)對(duì)生物和環(huán)境之間的相互作用和演化起到了很強(qiáng)的啟發(fā)。地球大氣遠(yuǎn)離化學(xué)平衡的變化，。二、生物調(diào)節(jié)環(huán)境蓋亞假說(shuō)認(rèn)為地球是個(gè)由生物反饋而實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)的活的整體,生物反饋由達(dá)爾文的自然選擇(或最適者生存)產(chǎn)生,主要是負(fù)反饋.其結(jié)果是抑制地表系統(tǒng)偏離原狀態(tài).環(huán)境反饋可分三個(gè)等級(jí),從高到低依次為:無(wú)機(jī)(純粹的地球物理和地球化學(xué)循環(huán))反饋,生物生長(zhǎng)繁殖反饋和自然選擇反饋,后兩者屬生物反饋.生命活動(dòng)極大地改造了環(huán)境,使環(huán)境條件盡可能優(yōu)化而適于自身生存.地球上的生物,特別是細(xì)菌,與地球的無(wú)機(jī)系統(tǒng)相互作用,無(wú)意識(shí)地穩(wěn)定了全球的環(huán)境;生物控制了地球表層的溫度和物質(zhì)構(gòu)成,如果地球大氣的物質(zhì)構(gòu)成、溫度和氧化態(tài),因地球外部的或其他原因的干擾發(fā)生變化,生物會(huì)通過(guò)生長(zhǎng)和自然選擇反饋來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)境,使環(huán)境條件有利于自身生存.總之,生命負(fù)責(zé)維持地球氣候等環(huán)境要素的穩(wěn)定,如果地球是艘太空船,生命就是領(lǐng)航者.Lenton認(rèn)為生物調(diào)節(jié)環(huán)境是由其內(nèi)在特性決定的.一是生物為了維持內(nèi)在的低熵,都要通過(guò)吸收自由能量放出高熵值的廢物來(lái)改變環(huán)境;二是生物體的生長(zhǎng)和潛在的指數(shù)繁殖為生命提供了內(nèi)在的正反饋,即生命越多,產(chǎn)生的生命也越多;三是對(duì)每一個(gè)環(huán)境因子來(lái)說(shuō),都存在一個(gè)水平或范圍,在這個(gè)水平或范圍里,最適宜某一生物生長(zhǎng),生物細(xì)胞以碳為基礎(chǔ)的化學(xué)成分及脂膜結(jié)構(gòu)決定了可忍受的氣候和化學(xué)范圍.行星上的各種生命表現(xiàn)型都會(huì)產(chǎn)生可遺傳的、能被忠實(shí)復(fù)制的變異,它們生長(zhǎng),互相爭(zhēng)奪資源,自然選擇決定那些能大量繁殖后代的生命形式主宰環(huán)境.三、在大氣和生物過(guò)程中的應(yīng)用(1)生物可改變大氣的組成成分,并維持其相對(duì)平衡.在地球形成初期,原始大氣主要由CO2、N2、CH4和H2等組成,處于還原態(tài),隨著海生藻類等原始植物出現(xiàn),其光合作用產(chǎn)生的O2逐漸增多,距今約21億年時(shí),大氣環(huán)境從還原態(tài)變?yōu)檠趸瘧B(tài),嫌氧生物轉(zhuǎn)變?yōu)橄惭跎?這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為尤里點(diǎn),即大氣氧濃度增至當(dāng)前濃度的千分之一).現(xiàn)代大氣主要由N2和O2構(gòu)成,O2約占21%,這些O2是植物光合作用的產(chǎn)物.如果O2含量高于這一比例,陸地生命會(huì)被燃燒掉,但為含量較高的N2所稀釋,而且化石證據(jù)顯示這一比例在整個(gè)顯生宙變化很小,大氣氮庫(kù)主要由反硝化細(xì)菌分解生物殘?bào)w來(lái)維持.(2)如果不是生物活動(dòng)(主要是細(xì)菌等分解者把動(dòng)植物的排泄物和死亡殘?bào)w分解為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物釋放到環(huán)境中去),大氣中的一些氣體成分如CH4和H2在幾十年內(nèi)就會(huì)耗盡.(3)地球大氣層里的CO2含量遠(yuǎn)低于化學(xué)上所允許的含量,如果生物圈消失,CO2含量會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)含量的30多倍,現(xiàn)在大部分的CO2被固定在生物有機(jī)體內(nèi).(4)過(guò)去38億年來(lái),太陽(yáng)的輻射能量約增加了25%,而歷史氣候數(shù)據(jù)卻顯示地氣系統(tǒng)的平均溫度僅以5℃的幅度距現(xiàn)在平均溫度約15℃漲落.模擬氣候的結(jié)果顯示,如果太陽(yáng)的輻射能量削減25%,全球平均溫度將在-10～-52℃之間,此即“弱早期太陽(yáng)佯謬(earlyfaintsunparadox)”,這表明當(dāng)太陽(yáng)發(fā)光度不強(qiáng)時(shí),地球大氣層里的CO2和CH4等溫室氣體含量一定很高,產(chǎn)生了超級(jí)溫室氣體效應(yīng),維持了溫暖的氣候.當(dāng)太陽(yáng)輻射輸出能量逐漸增加時(shí),一定有某種機(jī)制把大氣層里的CO2氣體移了出來(lái),這就是植物的光合作用,大氣里的CO2轉(zhuǎn)化成了有機(jī)化石物質(zhì)(如天然氣、石油、煤、石灰?guī)r和泥炭).(5)在土壤形成過(guò)程中,生物是必不可少的因素之一(另外有氣候、地形、母質(zhì)和時(shí)間等),生物也是土壤有機(jī)質(zhì)和肥力的來(lái)源.生物都具有尋求營(yíng)養(yǎng)元素的性狀,從而加強(qiáng)了巖石的風(fēng)化,土壤的形成主要始自地衣、苔蘚植物在巖面的殖居.這種加強(qiáng)作用也導(dǎo)致大氣中CO2含量減少,從而使氣溫下降,進(jìn)而限制生物生長(zhǎng),屬于負(fù)反饋.(6)硫是從海洋遷移到陸地的,起先人們認(rèn)為是含H2S的海水的蒸發(fā),但實(shí)際是含二甲基硫的海洋浮游生物產(chǎn)生二甲基硫酸鹽(DMS)作為分解產(chǎn)物,由海陸之間的水氣循環(huán)移至陸地,硫是陸地動(dòng)植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素,因此生產(chǎn)DMS的浮游生物促進(jìn)了陸地生命的生長(zhǎng),后者殘?bào)w所含的有機(jī)物質(zhì)通過(guò)地表和地下徑流遷移到海洋,促進(jìn)了產(chǎn)生DMS的浮游生物的生長(zhǎng).DMS被蒸發(fā)到大氣層中后,一些可轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩岷图谆蛩?它們是形成云的凝結(jié)核,更多的云層反射了太陽(yáng)輻射而使地表溫度下降,從而限制了浮游生物的生長(zhǎng).此外,生物(包括死亡的殘?bào)w)作用于地球表層無(wú)機(jī)系統(tǒng)的事例很多,如水土保持、氣候調(diào)節(jié)和穩(wěn)定環(huán)境等,因人類過(guò)度燃燒化石燃料排放的CO2而造成的“碳的失匯”,就被認(rèn)為為海洋生物群落所吸收,但也可能為橫跨亞歐大陸和北美北部的北方針葉林所吸收.四、白積極類型對(duì)白積極體生長(zhǎng)和對(duì)環(huán)境的作用蓋亞假說(shuō)可分為兩個(gè)層次:弱蓋亞(weakGaia)和強(qiáng)蓋亞(strongGaia).前者指生物對(duì)環(huán)境有顯著的影響(InfluentialGaia),生物的進(jìn)化和環(huán)境的進(jìn)化是交織在一起的,互相影響的(coevolutionaryGaia),這些觀點(diǎn)在其他地球科學(xué)中早已有之,無(wú)爭(zhēng)議,故稱之為弱蓋亞學(xué)說(shuō);后者認(rèn)為生物圈可視為一個(gè)地球巨型生理有機(jī)體(geophysiologicalGaia),生命使地球的物理和化學(xué)環(huán)境條件最優(yōu)化,以最大程度地滿足自身的需要(optimizingGaia),對(duì)此有較大的爭(zhēng)議,稱之為強(qiáng)蓋亞學(xué)說(shuō).蓋亞假說(shuō)被批評(píng)為目的論,即蓋亞具有意圖,要從改變環(huán)境中獲益.對(duì)立的觀點(diǎn)認(rèn)為如果地球是艘太空船,生命可能不只是對(duì)環(huán)境被動(dòng)適應(yīng)的旅客,但其持續(xù)和進(jìn)化純粹是偶然現(xiàn)象,是盲目的,由物質(zhì)的隨機(jī)相互作用操縱著.于是Lovelock等人發(fā)展了一個(gè)數(shù)學(xué)模型——雛菊世界(daisyworld)來(lái)反駁.雛菊世界是個(gè)簡(jiǎn)化的行星,像地球一樣繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn),太陽(yáng)輸出的能量總是不斷增加.在這顆行星的土壤里有成百上千萬(wàn)顆種子,但只有兩個(gè)品種:黑雛菊和白雛菊,最適宜的生長(zhǎng)溫度都是22.5℃,生態(tài)幅度是5～40℃.起初行星上的溫度很低,種子不能發(fā)芽,隨著太陽(yáng)發(fā)光度變大,行星溫度升到5℃,種子開(kāi)始發(fā)芽,白雛菊反射率為0.65,這使它們比周圍環(huán)境溫度低,限制了生長(zhǎng),相反,黑雛菊反射率為0.15,吸取了較多的太陽(yáng)能量,使周圍環(huán)境暖和起來(lái),促進(jìn)了生長(zhǎng)和繁殖,主宰了這顆行星可居住的生境.黑雛菊使大氣變暖,使一般生命都能生存,當(dāng)太陽(yáng)進(jìn)一步變熱,白雛菊由于反射了較多的太陽(yáng)輻射而避免了過(guò)熱,取得了選擇優(yōu)勢(shì),漸漸取代了黑雛菊,同時(shí)也使地球涼了起來(lái).在很長(zhǎng)時(shí)間里,這兩個(gè)物種根據(jù)達(dá)爾文自然選擇理論互相競(jìng)爭(zhēng),這顆行星的溫度由它們種群數(shù)目的漲落自動(dòng)調(diào)節(jié).當(dāng)太陽(yáng)發(fā)光度繼續(xù)增加時(shí),則只有白雛菊能夠生存,最后由于溫度過(guò)高,生命消失了,自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)崩潰了,見(jiàn)圖1.Lovelock希望用這個(gè)模型來(lái)說(shuō)明自動(dòng)調(diào)節(jié)是無(wú)意識(shí)的,以后又作了許多改進(jìn),引進(jìn)了反射率介于白雛菊和黑雛菊之間的灰雛菊等,以及食草動(dòng)物和食肉動(dòng)物,目的是為了驗(yàn)證生物種間關(guān)系(如競(jìng)爭(zhēng)、捕食)對(duì)調(diào)節(jié)環(huán)境的影響.但雛菊世界畢竟是個(gè)過(guò)分簡(jiǎn)化的均質(zhì)模型,而現(xiàn)實(shí)地球表層是異質(zhì)的,存在從赤道到兩極的緯度地帶性分異,以及非緯度地帶性分異,如海陸分異、垂直分異等,各地的環(huán)境背景值都不相同,兩者相差甚遠(yuǎn).另外,蓋亞假說(shuō)主要是關(guān)于生命對(duì)地球化學(xué)元素流動(dòng)和循環(huán)的作用,如提高循環(huán)速率等,而雛菊世界模型卻不是.蓋亞假說(shuō)認(rèn)為行星尺度上的生物反饋調(diào)節(jié)環(huán)境可由生物個(gè)體水平上性狀的自然選擇引起,但自然選擇僅偏愛(ài)那些比其他個(gè)體具有繁殖優(yōu)勢(shì)的性狀,即使它們對(duì)環(huán)境不利.在涉及個(gè)體性狀的自然選擇反饋上,蓋亞假說(shuō)以前述雛菊世界中雛菊的顏色為例,但Schneider指出:實(shí)際地球上,植被反射率對(duì)氣候的影響是很小的,因?yàn)樵坪挽F遮蓋了大部分地球表面,植被對(duì)溫度的響應(yīng)遠(yuǎn)比雛菊世界小,而且較高的溫度使森林向極地?cái)U(kuò)展,使地球表面反射率變小,從而放大了變暖效應(yīng).Kirchner認(rèn)為生物都要消耗資源,同時(shí)排泄廢物,因此那些使生物體更好地消費(fèi)資源或排泄體內(nèi)廢物的性狀對(duì)個(gè)體有利,盡管它們降低了環(huán)境質(zhì)量,卻受到自然選擇的偏愛(ài),這樣的性狀很多,如樹(shù)木通過(guò)長(zhǎng)高以獲得陽(yáng)光,卻蔭蔽了它們的鄰居;一些樹(shù)木如桉樹(shù)和黑胡桃還通過(guò)落葉和果實(shí)使其周圍土壤有毒,來(lái)阻止?jié)撛诘母?jìng)爭(zhēng)者.生物反饋不總是對(duì)環(huán)境起穩(wěn)定作用,相反生物正反饋使環(huán)境更加不穩(wěn)定,Kirchner列舉了與全球變暖相關(guān)的生物反饋,有負(fù)反饋:大氣中CO2濃度升高,會(huì)刺激植物的光合作用,使更多的碳儲(chǔ)存在生物量里;溫暖也導(dǎo)致干旱,使中緯度植被更加稀疏,提高了荒漠化程度或擴(kuò)大其范圍,提高了行星的反射率和大氣塵埃濃度;但更多正反饋:較高的溫度會(huì)提高土壤的呼吸速率,釋放更多儲(chǔ)存在土壤里的有機(jī)碳;高溫也提高了火災(zāi)的頻率,導(dǎo)致老的大樹(shù)被幼小的植物代替,導(dǎo)致森林生物量中碳的凈釋放;變暖也可能使耐旱植物增多,沙漠中灌木地面積擴(kuò)展,導(dǎo)致行星反射率和大氣塵埃濃度下降;變暖可能導(dǎo)致苔原為針葉林取代,降低行星反射率;變暖可加速土壤中N2O和CH4的釋放;變暖可導(dǎo)致高緯度泥炭地里CO2和CH4的釋放——這些正負(fù)生物反饋疊加的后果很可能增強(qiáng)了全球變暖的幅度!例如歷史氣候數(shù)據(jù)顯示,大氣中CO2濃度只在1.8×10-4～3×10-4之間振蕩,而現(xiàn)在濃度已高達(dá)3.7×10-4.因此人類過(guò)度排放的溫室氣體沒(méi)有得到生物反饋的自動(dòng)調(diào)節(jié).但這也可能是人類活動(dòng)降低了植被覆蓋率的緣故.Kirchner認(rèn)為,使環(huán)境更適宜自身的生物會(huì)獲得選擇優(yōu)勢(shì),更大的影響環(huán)境而進(jìn)一步發(fā)展,這是正反饋,內(nèi)在上是不穩(wěn)定的;如果一個(gè)正在生長(zhǎng)的種群使環(huán)境限制了生長(zhǎng),此為降低環(huán)境條件的起穩(wěn)定作用的負(fù)反饋,因此蓋亞假說(shuō)中使環(huán)境條件優(yōu)化的負(fù)反饋是個(gè)矛盾.純粹的地球化學(xué)和物理反饋也可能維持適宜的氣候.例如,硅酸鹽的風(fēng)化:隨太陽(yáng)發(fā)光度增加,大氣中的CO2和水結(jié)合產(chǎn)生弱碳酸,加強(qiáng)了對(duì)硅酸鹽的風(fēng)化,把大氣中的碳固定在石灰?guī)r(主要成分為CaCO3)和白云石(CaMg[CO3]2)等沉積巖中,從而減少了溫室效應(yīng).但硅酸鹽風(fēng)化比較緩慢,似乎不足以維持38億年來(lái)地球氣候的穩(wěn)定.現(xiàn)已證實(shí)生物加強(qiáng)了巖石的風(fēng)化,見(jiàn)前述證據(jù).五、人類的活動(dòng)是受自然環(huán)境的直接凈化蓋亞假說(shuō)顯然是將地球表層視為一個(gè)控制系統(tǒng),生物整體是這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,主宰了從太陽(yáng)能在地表的固定轉(zhuǎn)化到物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞等一系列地表過(guò)程.經(jīng)過(guò)30多億年的進(jìn)化,生命和非生命環(huán)境之間已形成了復(fù)雜的反饋聯(lián)