“盖亚之谜”的科学解释

2018-07-20 13:11:02  科学媒介中心
本文作者:李楠 编译

“盖亚之谜”的科学解释

2018-07-20 13:11:02
作者:李楠 编译
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我们可能很难再现地球上的生命起源的一幕。也许是在一个阳光普照的浅水池里,抑或是在地表以下几英里深的海底那些涌出富含矿物质液体的地壳裂缝附近。尽管我们已经有了足够的证据证明至少在37亿年前,生命已然存在,但我们仍然对生命的起点知之甚少。

 
已过去的亿万年告诉了我们一个显而易见的事实:生命一直在延续。尽管地球不断被小行星撞击,爆发过毁灭性的火山灾害,也经历过极端的气候变化,但是生命不仅没有消失,反而愈发强大。
 
这是怎么发生的?最近发表在《生态学与进化研究趋势》上的研究成果巧妙地回答了这个问题,并且为“盖亚假说(Gaia Hypothesis)”提供了新的解释。
 
科学发明家詹姆斯•洛夫洛克(James Lovelock)和微生物学家林恩·马古利斯(Lynn Margulis)阐述了“盖亚假说”,该假说最初认为生命通过与地壳、海洋和大气相互作用,尤其是大气的构成和气候变化,对地球表层产生了稳定的影响结果。有了这样一个自我调节的过程,生命就能够在这样的条件下生存下来,而这种条件本来可以在没有自我调节的行星上令生命不复存在。
 
20世纪60年代,洛夫洛克在为NASA工作时提出了“盖亚假说”。他认识到生命并不是地球上的过客,相反,它彻底重塑了地球,创造了石灰岩等新岩石,通过产生氧气影响了大气,并推动了氮、磷和碳等元素的循环。人类造成的气候变化很大程度上是我们燃烧化石燃料释放二氧化碳的结果,而这只是生命影响地球系统的最新方式而已。
 
现在人们已经承认生命是地球上的一股强大力量,但对“盖亚假说”仍然存在争议。尽管除了一些特殊情况之外,地表温度有利于液态水的普遍存在。但许多研究人员认为这要归功于偶然的好运气。如果地球完全进入了冰冻或高温状态(类似于火星或金星),那么生命就会灭绝,我们也无需在这里思考它是如何持续这么久的了。这是一种人们普遍接受的论点。
我们可能很难再现地球上的生命起源的一幕。也许是在一个阳光普照的浅水池里,抑或是在地表以下几英里深的海底那些涌出富含矿物质液体的地壳裂缝附近。尽管我们已经有了足够的证据证明至少在37亿年前,生命已然存在,但我们仍然对生命的起点知之甚少。   已过去的亿万年告诉了我们一个显而易见的事实:生命一直在延续。尽管地球不断被小行星撞击,爆发过毁灭性的火山灾害,也经历过极端的气候变化,但是生命不仅没有消失,反而愈发强大。   这是怎么发生的?最近发表在《生态学与进化研究趋势》上的研究成果巧妙地回答了这个问题,并且为“盖亚假说(Gaia Hypothesis)”提供了新的解释。   科学发明家詹姆斯•洛夫洛克(James Lovelock)和微生物学家林恩·马古利斯(Lynn Margulis)阐述了“盖亚假说”,该假说最初认为生命通过与地壳、海洋和大气相互作用,尤其是大气的构成和气候变化,对地球表层产生了稳定的影响结果。有了这样一个自我调节的过程,生命就能够在这样的条件下生存下来,而这种条件本来可以在没有自我调节的行星上令生命不复存在。   20世纪60年代,洛夫洛克在为NASA工作时提出了“盖亚假说”。他认识到生命并不是地球上的过客,相反,它彻底重塑了地球,创造了石灰岩等新岩石,通过产生氧气影响了大气,并推动了氮、磷和碳等元素的循环。人类造成的气候变化很大程度上是我们燃烧化石燃料释放二氧化碳的结果,而这只是生命影响地球系统的最新方式而已。   现在人们已经承认生命是地球上的一股强大力量,但对“盖亚假说”仍然存在争议。尽管除了一些特殊情况之外,地表温度有利于液态水的普遍存在。但许多研究人员认为这要归功于偶然的好运气。如果地球完全进入了冰冻或高温状态(类似于火星或金星),那么生命就会灭绝,我们也无需在这里思考它是如何持续这么久的了。这是一种人们普遍接受的论点。   20亿年前,在多细胞生命出现之前,地球经历了一个“雪球”阶段。   地球上的生命无疑是幸运的。首先,地球在太阳系中处于宜居地带,它以一定的半径围绕太阳运行,这个距离使得地球的表面温度适合产生液态水。或许宇宙中有其他奇特的生命组成形式,但就目前我们所了解来看,生命的组成需要水。地球上的生命也很幸运的避免了巨型小行星的撞击。如果一块陨石比6600万年前导致恐龙灭绝的陨石大的话,就可能彻底摧毁地球。   但是,如果生命能让命运天平向自己倾斜呢?如果生命在某种意义上,通过减少行星尺度扰动的影响,从而让自己变得幸运呢?这就引出了“盖亚假说”中最突出的问题:行星的自我调节是如何起作用的?   虽然自然选择的解释性很强,并且可以说明我们所观察到的物种随时间的变化,但我们一直缺乏一种理论机制来解释地球上的生物和非生物是如何进行自我调节的。因此,“盖亚假说”通常被认为是一个有趣的设想,但也只是推测性的,也就是说这项假说并不是基于任何可验证的理论而提出的。   选择稳定   人们似乎终于找到了“盖亚假说”的合理解释。其机制是“顺序选择”。原则上讲很简单,当生命出现在这个星球上时,它就开始影响着环境条件,逐渐形成一种稳定的状态。这种稳态类似于恒温箱,但也可能是一种不稳定的失控状态,例如雪球时期,这个事件几乎让地球上生活了超过了6亿年的物种覆灭殆尽。   如果稳定下来,生物则将会进一步得到进化,这将重新配置生命与地球之间的相互作用。一个著名的例子是在大约30亿年前的没有氧气的世界里,出现了可以产生氧气的光合作用。如果新出现的相互作用逐渐稳定,那么行星系统将继续进行自我调节。但新的交互作用也可能产生干扰和失控。就光合作用而言,在大约23亿年前的“大氧化事件”中,它导致大气中的氧气水平突然升高。这是地球历史上为数不多的时期之一,它可能比现有的生物圈要好得多,并且彻底地重启了环境系统。   选择机制   生命和环境自发地进行自我调节的机会可能比我们预期的要多得多。实际上,生物多样性越丰富,这种可能性就越大。但这种稳定性是有限度的。如果把系统推得太远,它可能会超越临界点,迅速崩溃,进入一个新的、可能非常不同的状态。   这不是一个纯粹的理论推理,因为我们可以用许多不同的方法来检验它。从微观尺度来说,我们可以进行不同细菌菌落的实验。而宏观尺度上,它涉及寻找其他恒星系的生物圈,并利用这些数据来推算宇宙中生物圈的总数,不止是它们的产生,甚至是它们的延续状况。   詹姆斯·拉夫洛克在地球上的希腊女神盖亚雕像旁边。   我们不该忘记这些发现与当前气候变化之间的相关性。无论人类做什么,生命都会以某种方式继续。但如果我们继续排放温室气体,从而改变气候,那么我们就有可能助推某些危险难控的气候变化。而这些危险可能使人类文明走向终结,我们也就不再能够进一步影响气候了。   “盖亚假说”所描绘的自我调节可能非常有效。但没有证据表明它更钟情于某一种生命组成方式。在过去的37亿年里,地球上出现了无数的物种,然后又消失了。我们没有理由认为人类在这方面将得到更多的眷顾。
20亿年前,在多细胞生命出现之前,地球经历了一个“雪球”阶段。
 
地球上的生命无疑是幸运的。首先,地球在太阳系中处于宜居地带,它以一定的半径围绕太阳运行,这个距离使得地球的表面温度适合产生液态水。或许宇宙中有其他奇特的生命组成形式,但就目前我们所了解来看,生命的组成需要水。地球上的生命也很幸运的避免了巨型小行星的撞击。如果一块陨石比6600万年前导致恐龙灭绝的陨石大的话,就可能彻底摧毁地球。
 
但是,如果生命能让命运天平向自己倾斜呢?如果生命在某种意义上,通过减少行星尺度扰动的影响,从而让自己变得幸运呢?这就引出了“盖亚假说”中最突出的问题:行星的自我调节是如何起作用的?
 
虽然自然选择的解释性很强,并且可以说明我们所观察到的物种随时间的变化,但我们一直缺乏一种理论机制来解释地球上的生物和非生物是如何进行自我调节的。因此,“盖亚假说”通常被认为是一个有趣的设想,但也只是推测性的,也就是说这项假说并不是基于任何可验证的理论而提出的。
 
选择稳定
 
人们似乎终于找到了“盖亚假说”的合理解释。其机制是“顺序选择”。原则上讲很简单,当生命出现在这个星球上时,它就开始影响着环境条件,逐渐形成一种稳定的状态。这种稳态类似于恒温箱,但也可能是一种不稳定的失控状态,例如雪球时期,这个事件几乎让地球上生活了超过了6亿年的物种覆灭殆尽。
 
如果稳定下来,生物则将会进一步得到进化,这将重新配置生命与地球之间的相互作用。一个著名的例子是在大约30亿年前的没有氧气的世界里,出现了可以产生氧气的光合作用。如果新出现的相互作用逐渐稳定,那么行星系统将继续进行自我调节。但新的交互作用也可能产生干扰和失控。就光合作用而言,在大约23亿年前的“大氧化事件”中,它导致大气中的氧气水平突然升高。这是地球历史上为数不多的时期之一,它可能比现有的生物圈要好得多,并且彻底地重启了环境系统。
 
选择机制
 
生命和环境自发地进行自我调节的机会可能比我们预期的要多得多。实际上,生物多样性越丰富,这种可能性就越大。但这种稳定性是有限度的。如果把系统推得太远,它可能会超越临界点,迅速崩溃,进入一个新的、可能非常不同的状态。
 
这不是一个纯粹的理论推理,因为我们可以用许多不同的方法来检验它。从微观尺度来说,我们可以进行不同细菌菌落的实验。而宏观尺度上,它涉及寻找其他恒星系的生物圈,并利用这些数据来推算宇宙中生物圈的总数,不止是它们的产生,甚至是它们的延续状况。
 
我们不该忘记这些发现与当前气候变化之间的相关性。无论人类做什么,生命都会以某种方式继续。但如果我们继续排放温室气体,从而改变气候,那么我们就有可能助推某些危险难控的气候变化。而这些危险可能使人类文明走向终结,我们也就不再能够进一步影响气候了。
 
“盖亚假说”所描绘的自我调节可能非常有效。但没有证据表明它更钟情于某一种生命组成方式。在过去的37亿年里,地球上出现了无数的物种,然后又消失了。我们没有理由认为人类在这方面将得到更多的眷顾。

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