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生命是它自己的死敌吗

2009-10-18
盖亚假说,生命
[新知] 生命是它自己的死敌吗?
2009年10月13日 来源: 上海壹周(2009.10.13 新闻14
“地球并不是抚育生命的母亲,它更像是要命的美狄亚。”
编译/行牛天空

两艘“海盗号”分别于1976年和1977年在火星上成功登陆,它们的首要任务是寻找生命。让人失望的是,那里并没有生命迹象。对于詹姆斯·拉夫洛克和戴安娜·希区柯克这两位美国宇航局的大气科学家来说,这没什么可惊讶的。在“海盗号”登陆的10多年前,他们已经通过对火星大气层的观测,推测出那里可能不会有生命存在。

从他们的研究中产生的盖亚假说是20世纪最具影响的开创性科学思想之一,它是根据古希腊神话中的大地之神盖亚的名字来命名的。但这个假说正确吗?新的科学研究表明,地球上生命的本质并不是都和盖亚一样。如果我们非要选一个神话中的母亲形象来刻画生物圈的特性,美狄亚——阿尔戈英雄首领伊阿宋的恶毒妻子,也许更加合适。她是一个女巫、一个公主,也是杀死自己孩子的凶手。

盖亚假说始于20世纪60年代。当时,拉夫洛克和希区柯克指出,火星上的大气层处于一种化学平衡的状态——主要是二氧化碳,还有少量的氮气,以及非常少的氧气、甲烷和氢气。与之相比,地球大气处于化学不平衡的状态,二氧化碳和氧气在不断变化。变化的主要原因是生命——光合作用将二氧化碳转化为氧气,而有氧新陈代谢则反之。如果没有生命,地球的大气层和火星大气将一样处于化学平衡状态。

简单地说,盖亚假说就是:生命作为一种聚集体,以某一种方式与物理环境相互作用,这种方式不仅保持地球是宜居的,而且持续提升生命的生存环境。这是通过一系列类似于生态平衡的反馈系统实现的,运用这一机理活着的生物体能够维持一个稳定的内在环境。那些影响行星宜居与否的主要因素,如温度、海水和淡水的化学成分以及大气的组成等,它们并不仅仅受到生命的影响,也受到反馈系统的控制。

随着时间的推移,拉夫洛克的观点得以演化,形成了几种不同的形式。“盖亚假说”也被提升为科学性更强的“盖亚理论”。拉夫洛克后来开始讨论这个可视作某种超有机体的地球自身。他在1979年出版的专著《盖亚:地球生命的新写照》中提出:地球并非是简简单单的一颗庇护生命的行星,作为一个统一的有机体,它本身也是活着的。

这个观点简明扼要,很快吸引了许多拥趸。一些研究者从盖亚理论中发现了一种关于有机成分和元素循环的新的思考方式。一部分人跟随拉夫洛克的引导,为“生命控制环境”这一观点寻找科学性的支撑;还有一部分人,主要是非科学研究人员,从中发现了一种如何与地球和其他生命互动的新观点。一些人甚至从这一概念中看见了上帝的脸。

尽管如此,许多最新的发现对盖亚假说提出了严重质疑。有两派研究尤其具有毁灭性:一派基于深时——对远古岩石的研究;另一派基于未来的模型。两者均推翻了盖亚预言的关键点,并且提出地球的生命在反复忍受“美狄亚”事件——由生命本身引起的生物种类和数量的急剧减少,而且在未来的岁月中还将如此。

让我们先看看深时发现。盖亚假说的倡导者所提出的最具影响力的观点之一,是地球上的各种温度之所以能保持稳定,是由于反馈机制的存在,而这种反馈又是由生命引起的,或者至少是由其助长的。

在这些各自不同的“恒温器”中,最最重要的一个是碳酸盐-硅酸盐风化循环。频繁的火山活动给大气层不停地注入二氧化碳,它将会使地球经历不可控制的升温过程,这将最终导致海水汽化——如同40亿年前金星的宿命。

根据科学家们对过去全球温度更精确的估计来看,并没发现盖亚理论所预言的稳定性。实际上,由于新物种的进化,地球温度的变化就像过山车一样。

例如,大约23亿年前,地球忍受了一个持续了1亿年的漫长冰川期。海洋完全被冻住,形成了一个“冰雪地球”。它的起因是生命本身,大约在这个时期前的2亿年,进化过程开始用一种新的方式来维持生命,即光合作用,光合微生物将大量的二氧化碳从大气中吸走,以至于这颗行星跌入了冰窟。

最初的多细胞植物的进化所带来的第二幕冰雪地球时期发生在7亿年以前。一段时间以后,陆地植物的进化给了气候一个双重打击:他们的深根显著提高了岩石的风化速度,而且光合作用也减少了二氧化碳的含量。结果是,在泥盆纪(4.16亿年前到3.6亿年前)末期森林出现之后不久,地球进入了长达5000万年的冰河时期。这颗温暖年轻的行星很快地降温,大量的生物灭亡。这并不是一个符合盖亚假说的结果。

事实上,自生命存在之时起,它就一直能够毁坏自己。大约在37亿年前的一场“沼气危机”几乎彻底毁灭了地球上的生命,释放沼气的微生物使得大气笼罩着一层烟雾,并挡住了太阳。

对于25亿年前构成生命的微生物来说,氧气就是一种致命的毒药,那个时候生物体还不能适应它。随着光合作用的进化,这一大规模杀伤武器被启动,造成了第一次,恐怕也是最极端的一次大灭绝事件。生命被毁灭了,幸存下来的都是光合生物和微生物,它们迅速地进化以适应氧气。

一些新的研究成果对盖亚假说提出了更大的否定,这些成果源于对5.65亿年前自动物进化以来发生的灭绝事件的研究,其中包括5次大规模和差不多10次较小规模的灭绝。
1980年,地理学家公布了一个开创性的发现:6500万年前的白垩纪/第三纪大灭绝是由于一颗小行星撞击地球引起的。有一个观点很快变成了正统说法,即:所有大灭绝都是由地球外事件造成的,无论是冲撞,还是在4.43亿年前奥陶纪灭绝事件下的伽马射线爆发。这类事件基本与盖亚假说无关,因为生命是没有办法预先做好准备的。
研究者很快认识到陨石坑与大灭绝事件有着明显的联系,这包括2.51亿年前宏大的二叠纪/三叠纪事件以及2亿年前的三叠纪/侏罗纪事件。不过,撞击引起大灭绝这一论据也是经不起推敲的。如今,大多数的事件被看做是“细菌引起的”大灭绝,这是由于大量的细菌释放出有毒的硫化氢气体,这些细菌在死寂的海水中茁壮成长。而据盖亚理论,生命应该缓和掉这些事件,但事实并非如此。它们的存在似乎在强烈地支持美狄亚观点,而与盖亚背道而驰。可以说,与生命历史上许多其他的事件一样,人类主导的大灭绝现在正在我们周围进行着。“生命似乎在追求自我的终结,拖着地球回归到了无生机。”

未来是什么样子?从这里我们还是可以驳斥盖亚假说,而且这恐怕也是最有趣和最震撼的发现了。生命似乎在积极地追求它自己的终结,拖着地球走近必然到来的那一天,那个时候地球将回归它的原点——了无生机。

首先,太阳的光照强度已经在过去的45亿年增加约30%,而且还将继续增加下去。由于太阳持续更强的光照将造成全球升温,增加硅酸盐岩石的风化。再加之光合作用和植物根的作用,将会使二氧化碳以更快的速度在大气中消除。可能在5亿年后会有这样的一个时期到来,那个时候大气中将没有足够多的二氧化碳来进行光合作用。当那不幸的一天到来,我们所知的世界将迎来一个非常明了的末日。

对生命来说,这些变化将是惨烈的。植物将干枯和死亡,动物将很快跟着死亡。植物的死亡也将引起大气中二氧化碳的重新积累,导致无法控制的温室效应。最终,地球表面温度将超过沸水的温度,最后一个微生物也将灭亡,地球将再次没有生命。这同样是非常反盖亚的。

如果这些结论是正确的,那么地球上的生命已处于老年期。这场始于38亿年前的地球生命冒险,也许还剩下10亿年的旅程。大气中二氧化碳的减少这一长期的、终结的过程已经开始了——矿物燃料燃烧的影响仅仅是九牛一毛。对现在来说,盖亚就要死去,美狄亚会活得更久。
(本文由科学松鼠会供稿)
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