互动科普

地球及其大气圈的形成产生了生命，后者又影响了地球以后的演化。我们的未来在于解释它的地质历史。

就像地球与之类似的杂青金石宝石一样，从卫星图像上我们立刻就可识别的这颗蓝色的、被云块盖住的行星似乎非常稳定。被一个富氧大气圈所包围的大陆和海洋维持着我们熟悉的生命形式。可是这种恒定性是人类经历时间短所产生的假象。地球及其大气圈是不断地在改变。板块构造使大陆移动、山脉上升、海底运动；同时，尚未被人们充分了解的一些过程在改变着气候。

这些不断的变化在地球于大约距今45亿年时形成之后就是地球的待征。从一开始，热力和重力就影响着地球的演化。生命出现的全球效应也逐渐地参与进来同它们一起影响地球的演化。探索过去会给我们提供了解生命起源或许还有它的未来的唯一可能性。

科学家们过去常认为包括地球、水星、金星、火星在内的石质行星是一块尘埃云快速引力坍缩而形成的，这种坍缩是产生致密球体的收缩作用。但在二十世纪60年代，阿波罗太空计划改变了这种观点。对月坑的研究揭示出这些坑是由于在距今约45亿年时大量天体的撞击而形成的。此后，撞击的次数看来很快减少。这一研究结果使Otto Schmidt（斯米特）提出的吸积（在地质界常译为“增生”——译注）理论恢复了活力。这位俄罗斯地球物理学家于1944年提出：行星是一步一步地逐渐增大其体积的。

根据斯米特的见解，宇宙尘团聚在一起成为颗粒，颗粒变成砾石，砾石变成小球，然后变成大球，再变成微行星（即星子）。最后，尘埃终于变成了月球那样的大小。随着星子越来越大，它们的数目就减少。结果，星子（即陨石）之间碰撞的机会就减少。能够用于吸积的东西越来越少，意味着为了集结成大行星这一作用已进行了很长的时间。由华盛顿卡内基研究所的George W. Wetherill（韦瑟里尔）所进行的计算表明，—个直径10公里大小的天体变成地球这样大小的天体需要经过大约—亿年的时间。

吸积过程对于地球来说有着显著的热后果，这是些强烈支配地球演化的热后果。撞入地球的大物体在地球内部会产生巨大的热量从而将在那里的宇宙尘熔化。这样形成的熔融区位于地下约200到400公里的深处，称为岩浆洋——在几百万年期间内都是活动的，并引起火山喷发。当地球还年轻时，由火山作用和来自内部的熔岩流所引起的地表加热还受到巨大星子经常轰击所产生的热量的补充（这些星子中的一些或许有着月球那样大甚至火星那样大）。在这一时期，不可能有生命存在。

阿波罗计划除了澄清了地球是由吸积而形成的外，还迫使科学家们去试图重建早期地球随后的短暂的自然演化。这一任务曾经被包括Charles Lyell（莱伊尔）在内的一些地质学奠基者认为是不可能解决的。下一句话可归之于他们：没有开始的遗迹，没有结束的前景。这句话表达了年轻地球不可能重建的观点。因为由于年轻地球本身的活动性，它的残余早已被毁灭了。但是二十世纪60年代同位素地质学的发展已使这一观点过时了。阿波罗和月球的发现激发了地球化学家的想象力，他们开始应用这一方法去了解地球的演化。

使用所谓的放射性时钟来给岩石计时就使地质学家能对不含化石的古老地区进行研究。放射性时钟的指针是同位索——有着不同原子量的同一元素的原子，而地质时间是由一种同位素衰变成另一种同位素的速率来测定的。在许多的放射性时钟中，那些基于铀238衰变成铅206和铀235衰变成铅207的时钟是特别重要的。因为地质年，代学家们仅仅通过分析放射性母体铀的子体——在此情况下是铅——就能测定样品的年龄。

同位素地质学使地质学家们得以确定地球的吸积作用以地球的下述分异作用而告终，即地核——地球磁场的根源——的形成和大气的开始出现。加州理工学院的Claire C. Patterson（帕特森）于1953年使用铀-铅时钟所进行的经典工作确定了地球和形成地球的许多陨石的年龄为45.5亿年。然而我们中的一位（阿莱格尔）新近进行的有关铅同位索的工作却得出了多少有点新的解释。正如帕特森所论证的那样，某些陨石的确在大约距今45.6亿年时形成，而且它们的碎屑构成了地球。但是，在这之后的大约1.2亿年到1.5亿年的期间内，由于星子的轰击，地球还在不断地增大。在那时——距今44.4亿年到距今44.1亿年之间——地球开始保留住它的大气并开始形成地核。这种可能性早在十年前就由位于丹佛的美国地质调査局的Bruce R. Doe和Robert E. Zartman所提出并与韦瑟里尔的计算值相一致。

大陆地壳出现于稍微晚些时候。根据板块构造理论，这些陆块是地壳仅有的未被再循环的部分，而且也是由地幔对流所驱动的地热循环期间未被毁灭的部分。因此，大陆提供了一种记忆形式，这是由于在它们的岩石中早期生命的记录可以被辨认出。然而，这种证据并未广泛分布。包括板块构造、侵蚀作用和变质作用在内的地质活动已经毁灭了几乎所有的古老岩石。只有很少的碎块幸免于这种地质机器的破坏。

但是，最近几年还是使用同位素地球化学方法做出了若干重要的发现。牛津大学的Stephen Moorbath领导的一个研究小组在西格陵兰发现了一块年龄为距今37亿年前到38亿年之间的地体。此外，麻省理工学院的Samuel A. Bowring在北美洲考察了一小片地区——阿卡斯塔片麻岩，它的年龄为39.6亿年。

最后，对锆石这种矿物的探索使得另一些研究人员发现了更为古老的地体。一般发现在大陆岩石中的锆石在侵蚀过程中并未受到溶解，而是以颗粒形式沉积在沉积物中。因此，少数锆石碎片能幸存几十亿年，并可充当地球有着更古老地壳的证据。对古老锆石的研究开始于Annie Vitrac和Joel R. Lancelot（现分别在马赛大学和蒙彼利埃大学工作）在巴黎所进行的工作以及摩巴斯和阿莱格尔的工作，

而由William Comtpston（康普斯顿）领导的堪培拉澳大利亚国立大学的研究小组最终取得了成功。该研究小组在西澳大利亚发现了年龄为41亿到43亿年的锆石。

锆石不仅仅对了解大陆的年龄是关键性的，而且对确定生命最初何时出现也是关键性的。年龄无可争辩的最古老化石发现于澳大利亚和南非。它们是年龄约为35亿年的蓝绿藻残遗物。位于美因茨的马克斯•普朗克化学研究所的Manfred Schidlowski研究了西格陵兰的伊苏亚组地层，并论证道有机物质在距今38亿年时就已存在，由于绝大多数早期生命的记录都已被地质活动所毁灭了，所以我们不可能精确地说生命最初出现于何时——或许在地球形成后它很快就出现了，甚至可能早在距今42亿年时就出现了。

地球演化的最重要的方面之一是大气的形成，因为正是这种气体的集合物使得生物能从海洋中缓慢地移动出去并能继续生存下去。从二十世纪50年代以来，研究人员就提出假说，认为地球大气是由来自地球内部的气体所形成的。当火山喷出气体时，它就是地球的所谓连续脱气的例子。但科学家们怀疑这种脱气过程是在距今约44亿年时突然发生（那时地核刚分异出来）还是随时间而逐渐发生。

为了回答这一问题，阿莱格尔和他的同事研究了稀有气体的同位素。这些气体——包括氦、氩、氙在内——具有在化学上是惰性的这种独特性，也就是它们实际上不同其它元素发生反应。它们中的两个——氩和氙——对于大气圈的研究特别重要。氩有三种同位素，其中的氩40是由钾40衰变而成的。氙有九种同位素，其中的氙129有着两种不同的成因。氙129是在地球和太阳系形成之前由于核合成作用而出现的；它也会由于具有放射性的碘129的衰变而形成，但碘129在地球上现已不存在了。碘的这种同位素在很早以前存在，但以后就消失了，代之而起的则是氙129。

像大多数同位素对一样，氩40和钾40以及氙129和碘129都能告诉我们一些故事。它们是很好的记时器。虽然大气圈是由地幔的脱气作用所形成的，但它不含任何钾40和碘129。所有在地球内形成并释放出的氩40和氙129，都已在今天的大气中发现，过去从地幔中排出的氙仍然保留在大气中；因此，氙元素的大气-地幔比值可以使我们求出分异作用发生时的年代值。捕集在地幔中的氩和氙的同位素组成由于钾40和碘129的放射性衰变而发生演变。因此，如果地幔的整体脱气作用发生在地球形成之初，则大气就不含任何氩40而只含氙129。

想测定这些衰变产物比值的研究人员所面临的重大挑战是要在地幔岩石中获取高浓度的稀有气体，因为它在岩石中的含量极为有限。幸好在洋中脊处发生了一种自然现象，在此过程中火山熔岩将某些硅酸盐从地幔迁移到地表。捕获在地幔矿物中的微量气体同熔岩一道上升到地表并富集在熔岩流的外部玻璃质边缘内的小气泡中。这一过程足以将地幔气体量富集104倍或105倍。在这种海底处打捞并收集这类岩石，然后在一种灵敏的质谱仪内使其在真空中破碎，这就可使地球化学家测定出地幔内这些同位素的比值。结果是非常出乎意料的。这些比值的计算结果表明，百分之八十到百分之八十五的大气都是在最初的一百万年期间脱气产生的；其余的大气是在以后的44亿年期间内缓慢而不断地释放出的。

原始大气成分中最肯定具有优势的是二氧化碳。氮是另一个最丰富的气体。还含有微量的甲烷、氨、二氧化硫和盐酸，但没有氧。除了含有丰富的水外，原始大气类似于金星或火星的大气，原始大气演化的细节还有争论，特别是由于我们不知道那时太阳的光度有多强。然而，一些事实是没有争议的，二氧化碳显然起着关键性的作用。此外，许多科学家认为，这种演化着的大气含有相当多的像氨和甲烷之类的气体，足以产生有机物质。

然而，有关太阳的难题仍未解决。一种假说认为，在太古代（从距今约45亿年一直到距今25亿年时）期间太阳的功率仅为今天太阳功率的百分之七十五。这种可能性产生了一个两难的困境：在伴随着发光较弱的太阳而来的较冷的气候下生命如何能幸存下来？对于所谓的“早期微弱太阳之谜”的一个解决办法是科内尔大学的Carl Sagan（萨根）和George Mullen于1970年提出的，这两位科学家那时认为，捕集红外辐射很有效的甲烷和氨在原始大气中是相当丰富的。这些气体能够产生一种超温室效应。但这种观点受到了批评，其理由是这些气体的反应活性很强，而且在地球大气中仅有很短的寿命。

在70年代晚期，目前在斯克里普斯海洋研究所工作的Veerabhadran Ramanathan，以及纽约州立大学石溪分校的Robert D. Cess和Tobias Owen提出了另一个解决办法。他们认为在早期大气中不需要甲烷，因为二氧化碳的丰度已足以产生超温室效应了。这一论据又提出了一个不同的问题：在早期大气中有多少二氧化碳呢？地球的二氧化碳目前埋藏在像灰岩之类的碳酸盐岩石中。尽管目前并不清楚二氧化碳是何时被转移到岩石中的。今天的碳酸钙主要是在生物活动期间形成的；在太古代时期，碳可能主要是在无机反应过程中被转移的。

地球的快速脱气从地幔中释放出大量的水，形成海洋和水文循环。那时很可能存在于大气中的各种酸侵蚀岩石，从而形成富含碳酸盐的岩石。然而，这一机制的相对重要性是有争论的。哈佛大学的Heinrich D. Holland（翟兰）认为在太古代吋期大气中的二氧化碳量很快减少并停留在低水平上。

查明早期大气中的二氧化碳含量对理解控制气候的机制是至为关键的。两个有时是相互争论的阵营提出了有关这一作用是如何进行的观点。第一个阵营认为全球温度和二氧化碳是受若干无机地球化学反馈作用所控制的，而另一个则断言它们受生物排除作用的控制。

那时在密执安大学工作的James C. G. Walker、James F. Kasting和Paul B. Hays于1981年提出了无机模式。他们认为在太古代开始时二氧化碳的含量是高的并且也未急剧下降。这一三人小组提出，随着气候的变暖，更多的水会蒸发，水文循环将变得越来越强有力，从而增大降水和径流。大气中的二氧化碳同雨水混合形成碳酸径流，从而使地表的矿物受到风化作用。硅酸盐矿物同大气中的碳相结合，就将碳螯合在沉积岩中。大气中二氧化碳较少又意味着温室效应较小。这种无机负反馈过程抵消了太阳能量的增加。

上述解决办法与第二种模式（即生物排除模式）成为对照。由Gaia（盖亚）假说的一位创始人——James E. Lovelock提出的一种理论认为像浮游生物之类的光合微生物在富二氧化碳环境中有着很高的繁殖力。这些生物将二氧化碳转变成碳酸钙沉积物从而缓慢地将其从空气和海洋中排除出去。批评者反驳道，在地球上有着生命的大部分时间内，浮游生物尚未进化出来。盖亚假说认为：地球上的生命有着调节温度和地表成分的能力从而能使之适合于生物的生存。

在更近的时候，纽约大学的Tyler Volk和霍华德大学的David W. Schwartzman提出另一个盖亚式的解决办法。他们指出细菌通过分解有机物质和产生腐植酸能增加土壤中的二氧化碳含量。这两种活动都能加速风化作用，从而将二氧化碳从大气中排除出去。然而，有关这一观点的争论是很激烈的。包括现在宾夕法尼亚州立大学工作的卡斯廷以及霍兰在内的一些地球化学家认为：虽然生物可以解释太古代以后的时期某些二氧化碳从大气中被排除的问题，但无机地球化学过程还是能解释大部分螯合作用。这些研究人员认为在大部分地质时间内生物只是一种较弱的气候稳定机制。

碳的问题对生物如何影响大气的情节仍然有着决定性的意义。碳的埋藏对于形成大气氧富集——某些生命形态发育的前提之一——这一至关重要的作用来说是一个关键。此外，全球变暖作用由于人类排放二氧化碳的结果目前可能正在发生。在一二十亿年期间内海洋中的藻类产生出了氧。但是由于氧是高度活性的气体以及古代海洋中有许多还原矿物（例如很易被氧化的铁），因此由生物产生的大部分氧在其可能到达大气圈之前就已被消耗完了，何况在大气圈中它还可能遇到能与之起反应的一些气体。

即使一些进化过程在无氧气时代产生出更复杂的生命形态，它们也不会含有氧。此外，只要它们一离开海洋，未被大气所滤掉的太阳的紫外光也可能会杀死它们。像沃克和那时在圣巴巴拉加利福尼亚大学工作的Preston Cloud这样的研究人员提出:只有在大约距今20亿年的时候，在海水中的大多数还原矿物已被氧化之后，大气氧才的确富集起来了。在距今20亿年到10亿年之间，大气氧含量达到了现代水平，从而为进化着的生物提供了一个生态位。

霍兰研究了诸如氧化铁或氧化铀之类的某些矿物的稳定性之后，证明了在距今20亿年之前的太古代大气中的氧含量是低的。现今的一致意见是，目前的氧含量（20%）是光合作用的产物。然而，问题是大气中的这一氧含量是随时间逐渐增加的还是突然增加的。最新的研究表明，氧的增加是在距今21亿年到20.3亿年之间突然开始的并在距今15亿年的时候达到了今天的含量。

大气中氧的存在对于试图生活在地表附近或地表之上的生物来说还有另一主要的好处，因为它除去了紫外辐射。紫外辐射能使许多分子分解——从DNA和氧到能影响平流层臭氧损耗的氟氯烃类。紫外辐射能量能将氧分子分解成很不稳定的原子形态O，后者又能结合成O2和一种很特殊的分子O3，即臭氧。臭氧本身又吸收紫外辐射。只有在大气中的氧丰富到足以使臭氧形成之后，生命才有可能植根于或立足于陆地上。生命从原核生物（无细胞核的单细胞生物）快速进化到真核生物（有细胞核的单细胞生物）和后生生物（多细胞生物）也刚好发生在氧和臭氧存在的这一十亿年之久的时代，这种情况并不是一种巧合。

尽管大气在这一时期达到了相当稳定的氧含量，但气候却很难说是一直不变的。在向现今地质时代过渡的期间，有一些相对温暖或寒冷的长久时期。生活在洋底附近的浮游生物贝壳化石的成分提供了底层水温度的一种度量。记录表明，在过去一亿年期间底层水冷却了将近15个摄氏度。海平面下降了数百米，大陆飘移分开了。内陆海基本上消失了，气候平均冷却了10到15个摄氏度。在大约距今2000万年时，出现了永久性冰层积累在南极大陆上。

在大约距今200万年前到300万年之间，古气候记录开始显示出温暖和寒冷时期的重大膨胀和收缩有着大约4万年的周期。这种周期性是令人感兴趣的，因为它相当于使地球完成其自转轴倾斜回摆一次所需的时间。长期以来就推测而且新近的计算结果也表明，已知的轨道几何形状的变化能使冬季和夏季之间的入射阳光量改变约10%左右，因而可能是引起冰期开始或结束的主要原因。

最令人感兴趣而又是最使人困感的发现是，在距今60万年到80万年之间，占优势的循环从4万年的周期转变到每10万年间隔，并有很大的起伏。最后一次大冰期大约结束于距今1万年时。在距今2万年的这次冰期的最高峰时，一英里厚的冰盖覆盖着北欧和北美的大部分，冰川在全世界的高原和山脉上扩展。相当多的冰固定在陆地上，足以使海平面下降到低于今天海平面的100多米处。大规模的冰盖冲刷着陆地并改变了地球的生态面貌，平均来说要比今天冷5个摄氏度。

引起这些变化的精确原因迄今尚未确定。火山喷发可能起着重要的作用，如同墨西哥埃尔奇琼火山和菲律宾皮纳图博火山的影响所表明的那样。诸如形成喜马拉雅山脉这样的构造事件也会影响世界气候。甚至彗星的撞击也能影响短期的气候趋势并引起对生命来说是灾难性的后果[参看《科学》l991年2期期Walter Alvarez和Frank Asaro所著“是什么引起大规模灭绝？地外物质撞击”一文，以及Vincent E.Courtillot 所著“是什么引起大规模灭绝？火山喷发”一文]。显然，尽管气候有着剧烈的幕式扰动，但它仍然被缓冲到足以维护生命达35亿年之久。

过去20年间最为关键性的气候发现之一来自于对格陵兰和南极洲的冰芯的研究。当雪降落在这些冻结的大陆上时，在雪粒之问的空气就成为气泡被捕集起来。这些雪被逐渐地压缩成冰，除此之外还有被冰所捕获的气体。某些冰芯记录可一直追溯到远达20万年时：科学家们能从表面以下深达2000米的冰芯的不同部分中分析冰和气泡的化学含量。

冰芯钻探人员已经确定，古埃及人和安纳萨齐（Anasazi）印第安人听呼吸的空气很相似于我们今天所吸入的空气——除了在过去一二百年间加入的许多空气污染物外。在这些加入气体（即污染物）中主要是额外的二氧化碳和甲烷。前者由于工业化和砍伐森林的结果增加了百分之二十；后者由于农业、士地利用和能源生产而翻了一番。这些气体的增加量会捕集足以引起全球变暖的热量这一担心正是气候争论的要害所在。

冰芯的研究结果证明，全球温度变化的天然持续速率一般为每千纪大约一摄氏度。这种变化仍大得足以根本改变物种生活的环境，并且对诸如猛犸象和剑齿虎之类的超凡巨型动物群的灭绝做出了潜在的贡献。但是由冰芯研究所得知的一个最使人惊奇的情况并不是在过去1万年间气候的相对稳定性。看来在距今2万年时的最后一次冰期的高峰时候，空气中的二氧化碳和甲烷含量要比我们的时代（全新世）分别少30-40%和50%。这一发现表明了在二氧化碳、甲烷和气候变化之间有着一种正反馈作用。

支持这种失稳定反馈系统看法的论据如下。当地球较冷时，温室气体的浓度较低，因而大气捕集的热量就较少。当地球变暖时，二氧化碳和甲烷含量增加，从而又加速了变暖的过程。如果生命插手了这件事，它只会推动气候变化，而不是反抗气候变化。不过，这一图景也是不完整的。

然而，大多数科学家一致认为，生命很可能是气候变化和温室气体之间的正反馈作用中的主要因素。一种假说认为，日益增强的大陆架（当海平面下降吋大陆架就会出露于水面之上）养分流失会使浮游生物苗壮多产。养分的输入还能使这些海洋生物的生物量增多。由于碳酸钙贝壳占有许多浮游生物物种质量的大部分，因此繁殖能力的增大会将二氧化碳从海水中最终也从大气中排除出去。同时，其含碳量相当于大气圈中约10-20%的含碳量的北部森林在各冰期中也被毁灭了，来自这些高纬区森林中的碳会被释放到大气圈中，可是那时的大气圈中仍有着较少的二氧化碳气体。因此，海洋生物泵这一正反馈系统可以抵消由于森林毁灭所引起的负反馈作用。然而，大量的碳可以储藏在土壤内，所以森林的死亡会导致碳被隔离在地下。

这种反馈作用是正的这一看法有何重要意义呢？根据对从太古代高二氧化碳低氧的大气过渡到距今约5亿年时的有着巨大进化发展的时代的研究，已越来越清楚生物可能是使气候稳定的一个因索。在另一类例子中——在冰期和间冰期的循环中——生物看来有着相反的作用：加速而不是减弱气候变化。这一研究结果已导致我们中的一位（施奈德）坚决主张气候和生物是共同进化的，而不是生物仅仅对气候起着一种负反馈作用。

如果我们人类把自己看作是生物的一部分——即看作是生物这一天然系统的一部分——那么就可以证明，我们对地球的集体影响意味着我们对地球的未来可能起着一个重要的共进化作用。现代的人口增长趋势，提高生活水平的需求，以及为达到这些面向增长的目标而采用的技术和组织，都会加重污染。当污染的代价很低且把大气作为一种免费的下水道时，二氧化碳、甲烷、氟氯烃类、含三价氮的氧化物、硫的氧化物、以及其它毒物就会在大气中积累起来。

热量捕集理论——已被纳入气候的一些数学模型中——表明：如果大气中的二氧化碳含量在下世纪中期的某个时候翻一番的话，则世界将变暖1到5个摄氏度。这一范围的低端必然伴随着每一百年升髙一摄氏度的变暖速率——这为历史上的全球范围自然变化的平均速率（每一千年升高一摄氏度）的十倍。如果出现的是这一范围的高端，则我们将看到比自然平均环境快50倍的气候变化速率。这种速率下的气候变化几乎肯定会迫使许多物种去试图改变它们的分布范围，正如它们在距今15000年到10000年间这一冰期-间冰期过渡时期所作的那样。物种不仅必须对快10倍到50倍的气候变化做出反应，而且几乎没有物种能像它们在冰期结束和间冰期时代开始时的情况那样有着不受干扰的、空旷的迁移路径。正是由于这些理由，了解二氧化碳翻番究竟是使地球变暖一摄氏度还是变嗳五摄氏度就是必不可少的了。

对未来气候变化作应急预测是了解这个地球上生态系统命运所必需的，而为了做出这种预测，我们还必须在陆地上、海上和冰上打钻以发现尽可能多的地质、古气候和古生态的记录。这些记录将提供校准我们必须用来窥视未来朦胧环境的粗糙仪器所需之背景。这一未来环境越来越受着我们的影响。

【肖仲洋/译   郭凯声/校】