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生存或者死亡的盖亚假说:行星与生命互相塑造

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发表于 2018-10-9 07:21:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
活着的行星:生命改变了地球的方方面面,从大气层到岩石层,再到地表以下的板块构造。

  本文编译自大卫·格林斯彭(David Grinspoon)发表于nautil的文章,该文章也被收入他的最新著作《人类手中的地球》(Earth in Human Hands)。格林斯彭是美国行星科学研究所(Planetary Science Institute)的资深科学家,参与了多次现行和拟议的行星际飞船任务。2013年,他被任命为美国国会图书馆的首任天体生物学主席。他同时还是一位音乐家,为“宇宙之家乐队”演奏吉他。

  行星可以是活的吗?20世纪后期伟大的生物学家琳·马古利斯(Lynn Margulis,1938—2011)认为可以。这位智识卓越的科学家是内共生学说的主要建构者,观点常受到正统学界的排斥。她和英国化学家詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock)合作提出了一个假说,认为生命是一种改变行星的现象,地球“活着的”和“非生命”部分之间的区别并没有我们想象的那么明确。许多科学界人士将他们的理论——称为“盖亚假说”(Gaia hypothesis)——视为伪科学,并质疑他们的科学品格。现在,马古利斯和洛夫洛克或许可以得到正名了。近期的研究发现使我们有理由更认真地对待这一假说。盖亚假说的核心是对行星及其生命之间关系的洞察,新研究改变了我们对这一关系的理解,也影响着我们在其他星球上寻找生命的尝试。

  在对地球生物圈进行整体研究时,马古利斯和洛夫洛克意识到,地球生物圈具有生命的某些特性。它似乎会表现出“稳态”,即自我调节的体内平衡。地球的许多生命维持特征都表现出了令人惊叹的稳定性。从气温变化范围、大气氧含量到海洋的酸碱度、盐度和化学物质含量,所有这些都通过生物作用调节。几亿年来,所有这些特征都维持在一个使生命能够繁盛的范围内。洛夫洛克和马古利斯推测,生命整体与其环境通过某种方式相互作用,调节着这些全球性特征。他们认为地球在某种意义上是一个活着的有机体。洛夫洛克将这个有机体称为“盖亚”(Gaia)。

  

  干燥的火星。有一种可能是,火星和金星等行星由于不够潮湿而无法维持生命。

  马古利斯和洛夫洛克的研究显示了达尔文关于生物演化的图景是不完整的。达尔文确定了生命因环境变化而不断适应的机制,使我们看到地球上所有生命是一个连续体,一个基因从共同根源扩散、增殖的过程。在达尔文主义者看来,地球本质上是一个具有一系列变化背景的舞台,生命必须调整自己。然而,是什么(或者是谁)在改变布景呢?马古利斯和洛夫洛克提出,生命戏剧并不是在一个“死”的地球舞台上展开的,这个舞台本身就是动态的,是一个更大的生物实体——由生物圈和在生物圈内塑造、响应并循环的“非生命”部分组成的盖亚——的一部分。是的,生命会适应环境变化,通过自然选择塑造自己,但生命也会推动并改变环境,改变地球。这就像你现在呼吸的空气一样明显,空气中的氧气正是来源于生命。因此,演化并不是对无生命事件的一系列适应,而是一个反馈系统,一种交换。生命并没有简单地将自己局限在地球的动态变化中,相反,生命和地球在共同演化的过程中互相塑造。当你开始以这种方式观察这个星球时,你会看到珊瑚礁、石灰岩悬崖、河口三角洲、沼泽和堆满蝙蝠粪的海岛都是一个更大生命实体的一部分。你会意识到,地球的整个表面和深处其实都是活着的。

  盖亚假说从提出至今,依然难以获得主流科学界的接受。这涉及几个原因,一是常见的惰性,人们在面对新的思维方式时会表现出标准的保守和不情愿。不过,盖亚假说也被批评模糊不清和转换概念。一些人抱怨称,“盖亚论者”无法提出一个原创、明确且可验证的科学命题。我们怎么去评价、反对或拥抱一个没有明确说明的概念呢?在不同的人眼里,这一假说似乎又有不同的含义。这么说确实也有一些道理。盖亚假说有许多不同的阐述方式。而且,马古利斯和洛夫洛克很愿意将科学与哲学和是个相结合,他们也不介意争议;事实上,他们应该很享受并欢迎争议。

  事实是,尽管盖亚假说广为人知,但它并不能算一个真正意义上的假说。它是一个视角,一种在一颗行星——一颗活生生的行星——上探索生命科学的方法,不同于探索一颗有生命存在的行星。这才是真正的重点,简单但是深刻。因为生命并不是地球功能运转中微不足道的计划外产物,而是行星演化和行为中不可或缺的一部分。过去几十年来,盖亚论者已经差不多赢得了这场战役。当然,反对者从未真正投降或承认失败,但主流地球科学界已经放下了学术盾牌,并且与化学、气候学、理论生物学和其他一些学科联手,将盖亚假说重新命名为“地球系统科学”。

  在太空时代,地球与其他明显毫无生机的行星之间形成鲜明对比,盖亚假说也使人们更深刻意识到我们的星球是如何被其居民改造的。当我们把地球的生命故事与其他行星比较的时候,可以看到,在地球非常早期的发展阶段,就在不利于生命的初期降雨消退之后,生命就找到了立足点,地球开始走上与其他行星完全不同的道路。当生命和地球建立起这种联系之后,二者便开始共同演化并延续至今。

  当我们用太空时代的工具研究地球,比如从某个距离对它进行整体观察,或者钻探海底深处,以及用多光谱成像等技术绘制全球元素、营养和能量的生物化学循环过程时,我们已经认识到,生命的影响要比我们原先预计的更深刻和更普遍。

  我们认为理所当然的氧气是生命在参与地球生物化学循环时的副产物:它们利用太阳能分解水分子,将氢原子保留下来,与二氧化碳反应形成有机物,作为食物和身体组分,同时将氧气分离出来。在地球的高层大气,一部分氧气在紫外线照射下转化成臭氧。臭氧层能抵挡致命的紫外线,使地面变得适宜生命生存。臭氧层形成之后,生命才得以离开海洋,大陆才能被绿色的森林覆盖。没错,正是生命让曾经毫无生机的陆地变得生机盎然。

  当我们越多地通过“盖亚透镜”观察时,我们就越能看到地球几乎每个方面都在生物学上被扭曲得认不出来。地球的岩石中含有超过4000种矿物质(构成岩石的结晶分子),比我们在其他任何行星上观察到的矿物质类型都要多。研究地球矿物史的地球化学家总结称,如果没有生命的出现,这些矿物质绝大多数都不会存在。因此,在经过生命改造的地球表面,岩石本身也是生物的副产物。这一矿物质多样性的巨大跨越发生在生命为地球大气层提供氧气之后,大量新的氧化矿物质开始形成,使地球沉积物中充满了彩色的岩石。如果在观察一颗遥远行星时发现如此广泛和多样的矿物质,很可能就预示着这是一个生命星球。因此,这是一个潜在的生物印记(或者可以称为盖亚印记),可以添加到更常被引用的洛夫洛克标准中,用来搜寻生命导致大气成分显著失去平衡的迹象。事实上,矿物质和生命相互影响的历史似乎可以追溯到最开始的时候。越来越多的证据显示,矿物质对地球生命起源来说是重要的催化剂和物理基质。那么,将地球的矿物质表面视为地球生命系统的一部分,视为盖亚身体的一部分,是否真的是一个巨大的飞跃?

  此外,板块构造和地球深层内部的动力学呢?乍看之下,板块构造似乎就是一个巨大的机械系统——一个不依赖生物学,而是为生命提供支持的“热发动机”。而且,尽管我们可能仍然对深埋在生物圈下方的地球部分缺乏了解,但是不太可能有生物体生活在地壳以下几公里深的地方,因为那里的温度对有机分子而言太高了。不过,正如我们发现生命的影响已经扩展到高层大气,创造了能使生物圈包围大陆的臭氧层一样,我们也越来越多地看到生物对这些更深层地下领域的影响。在漫长的生命中,盖亚不仅改变了地球的皮肤,也改变了地球的内脏,将地幔中的碳提取出来,堆积在沉积岩的表面,并将空气中的大量氮气以氨的形式封存在地幔岩石晶体中。

  通过控制大气的化学状态,生命也改变了与其接触的岩石,从而使地球的地壳和地幔氧化。这也改变了岩石的材料特性,即它们在各种力量和条件下如何弯曲、折断、挤压、折叠和熔化。地球生物圈产生的所有粘土矿物都会使地壳软化,帮助“润滑”板块构造发动机。地球的潮湿或许能解释板块构造在地球上的持续存在,而不是在干燥的金星上。盖亚假说阵营中还有一个更极端的观点——目前还未被证实或否定——宣称,生命的影响在漫长历史中帮助地球保住了作为生命之源的水,而金星、火星在大部分历史中都没有水的存在。如果真的如此,那么生命可能真的是地球板块构造形成的原因。最早提出板块构造理论的学者之一,来自斯坦福大学的诺姆·斯利普(Norm Sleep),已经完全相信生命与地球的整体物理动力学——包括“无生命”的内部区域——密切相关。在描述生命对地质学、大陆形成和板块的长期累积影响时,他写道,“净效应就是盖亚。也就是,生命为了自己的利益改造了地球。”我们对地球的了解越多,就越能看到这一点。地球已经是在生命的掌握之中,以一种不平凡的方式,它成为了一颗完全由生物调制的行星。

  现在,在海盗号着陆火星四十多年后,我们已经知道行星在宇宙中很普遍,包括那些大小与地球差不多,并且与母恒星距离合适、允许液态水海洋存在的行星。另一方面,洛夫洛克的激进观点——关注大气层并寻找与预期混合气体差异显著的特征——已经成为我们探测外星生命策略的基础。盖亚式的思维已经渗透进我们对演化和系外行星适居性的认知中,并修订了“适居带”的定义。我们发现,通过一颗行星的基本物理性质(如体积和与恒星的距离等)并不足以确定其适居性。生命本身一旦开始,就可以使一颗行星变得宜居并保持下去。或许在某些情况下,生命还能摧毁一颗行星的适居性,正如21亿年前大氧化事件(Great Oxygenation Event)期间地球所经历的一样。加拿大维多利亚大学的年轻气候模型学者科林·戈德布拉特(Colin Goldblatt)说:“地球的决定性特征是行星规模的生命。地球教育我们,适居性和居民是无法分离的。”


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发表于 2018-10-21 06:21:55 | 显示全部楼层
“地球的决定性特征是行星规模的生命。地球教育我们,适居性和居民是无法分离的。”
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