有生命的地球

有生命的地球
James Lovelock

原文发表在2003年12月18日的《自然》

“Gaia—有机体及其环境作为一个整体的，自我调节的系统而进化”

想像一下，在银河系中有一个遥远的掌握了科学的文明，他们设计了一种干涉仪，这种仪器的分辨能力足以分析我们的大气成分。仅仅靠这样的分析，他们会自信地得出结论：地球，在太阳系行星中独一无二地拥有一种有机生命和工业文明。他们在高层大气中会看到共存的甲烷和氧，他们的化学家会分析出这些气体被不断地消耗和替换。这种状态事实上几乎不可能是无机化学反应自发形成的。大气的这种持久稳定的不平衡状态显示出生命的低熵的特征。他们会说：我们的地球是一个活的行星－－而大气层中的氟立昂（ＣＦＣ）的存在表明这个星球上的工业还不够理智，以至于让它泄漏到大气里了

1965年，作为美国国家航空和宇宙航行局行星探测课题的参与者，诸如此类的思考引导我计划对火星大气进行分析，用来探测火星上的生命。我还想知道，是什么使得化学性质不稳定的地球大气层保持不变，并且如此适于生命；又是什么维持了基本可以忍受的气候，尽管自地球形成以来太阳光照增加了30％。总而言之，这些想法使得我提出这样的假说：活的有机体按照自己的利益调节大气层；小说家William Golding建议用Gaia作为这个假说的名字。虽然一个活地球的概念古已有之，牛顿则是第一个把地球喻为动物或植物的科学家。Hutton, Huxley 和 Vernadsky 也表达过类似的观点，但是因为缺乏定量数据，这些早期的思想仍然是不严格的。在1925年Alfred Lotka 曾推测：分析描述有机体和环境的进化时，若把他们作为一个单一整体来考虑要比分开考虑它们中任何一个更容易。Gaia假说既来源于这些早期思想，也来源于生物地理化学家Alfred Redfield 、Evelyn Hutchinson 搜集的证据，和美国航空宇宙航行局提供的对地球的精心细致的遥感观测资料。

虽然gaia假说得到大气科学家的赞赏，地球科学家却抱谨慎态度。而生物学家们，尤其是Ford Doolittle 和Richard Dawkins，则有力地论证：地球若是自主调节的就决不可能进化，因为有机体才是自然选择的单位，而生物圈不是。我马上意识到他们说的有道理，但我仍然认为，某种东西在维持着地球适合生存的环境。1981年我设计了一个模型，模拟浅色植物与深色植物在一个日照持续增强的行星上竞争生长。我并没打算让它成为地球的简化模型，而是想提供一个模型来证明Gaia假说与自然选择是一致的。这个“雏菊世界（Daisyworld）”模型把星球的温度调节到最适合植物生长的温度，而且，对于一个用微分方程组建立的进化模型来说，它不同寻常地稳定，对初始条件不敏感的，能抵抗扰动。雏菊世界是符合自然选择理论的，但是有机体的进化和温度的变化是作为一个整体的，相互关联的过程而进行的。这个模型受到很多批评，但迄今为止经受住了历史考验。很容易看出来，雏菊世界能容忍“骗子”－－即那些只是生长但对行星自我调节不做贡献的雏菊。其他批评者宣称：雏菊会适应变化的温度，因此不过是跟随着温度变化而变化，并不能调节它。但是，在生长和温度间建立联系的限制函数（restraining function）是不能违反的。是化学原则而不是生物学原则设定了它的常数。

在这个阶段，Gaia理论还没有提出合理的控制机制。最早发现的控制机制是一个生物过程，这个过程能补偿营养元素硫和碘不均衡的分布（硫和碘在海洋里很丰富，在陆地表面却很缺乏）。人们普遍假设，硫化氢和海盐的气溶胶从海洋飘到陆地（从而使这种不均衡分布得到补偿）。1971年，我发现甲基碘化物和二甲基硫化物在大西洋表层水普遍存在；并且在1974年Peter Liss 根据我的数据计算出它们的流量。他论证道，这些源于生物的气体是硫和碘元素循环的主要运送者。

接着在1982年地球化学家James Walker,P.B.Hayes 和Jim Kasting提出，硅化钙岩石的风化能调节二氧化碳和气候。气候变暖导致更多的降雨，而大气中二氧化碳被清除的过程会更加迅速，因为增强了的岩石风化会消耗大气中的二氧化碳，（二氧化碳的减少又抑制了气候变暖），这样就提供了对温度的负反馈调节。这个可能的机制本身的作用实在是微不足道，以致不能说明观察到的风化速度。是岩石上和土壤里的有机体使它拥有了作为行星自我调节机制的力量；因为它们的生长随温度而变化，它们的存在放大了风化的速度。

1986年，Robert Charlson,James Lovelock,MeinratAndreae 和 Steven Warren 发现了一个重要关联：源于生物的二甲基硫化物气体（海洋海藻的产物）在大气层中氧化形成了云的凝聚核心，这些核心形成云并随后对气候产生影响。我们猜测这种气候的变化与海藻的生长之间的反馈会不会是一种地球自我调节机制。

到了20世纪80年代末，有了充分的证据、模型和机制可以支持一个阶段性的Gaia 理论。简而言之，这个理论认为：有机体和它的物质环境是作为整体的，相互关联的系统而进化的，从这个系统中产生出气候和化学组成的稳定的自我调节，使它们维持在适合现有生物生存的状态。

Gaia象生命一样，是一个“涌现现象”(emergent phenomenon, 即在复杂系统中衍生出新的有序结构，模式或特性—译注)，它是可以直观理解的,但是很难甚至是不可能通过还原方式进行分析，所以常被人误解也是不足为奇的。一个简单的自动调节机制，比如一个恒温调节的烤箱，需要一个传感器来探测环境温度和设定温度之间的差异，还需要一个放大器放大这个差异，并把它作为一个负反馈来纠正对设定温度的偏离。生命系统则很少以这样简单的方式运转；它们既需要负反馈也需要正反馈来维持内稳态,并且它们用一个限制函数而不是简单的人工设定点。这个限制函数允许在一个生理上可接受的范围内调节，而不是调节到一个单一的设定值。Andrew Watson 和其他批评者曾设想，一个行星如果是以这种方式自我调节的，它必须能够近乎完美地调节；然而生理系统的调节其实也并非那样完美，它们总是做到只要符合需要即可。没人会怀疑人是恒温的，但我们的内部温度的范围是35－－40度，我们的外表温度的范围是5－－45度。这种调节看起来似乎不算精确，但对我们来说相当好了。在过去的一千万年来地球的平均表层温度是11－－16度，变化范围和我们的体温类似。这并不表明地球不会调节－－这种效果对维持地球系统来说已经足够好了。地球有效的调节偶然的失败（比如在目前的间冰期出现的情况）很像发烧时的生理状况，即正反馈在起主导作用的时候。

Gaia理论与达尔文进化论并不矛盾，更确切的说,Gaia理论把它扩展为包括了生物进化和地质进化的统一的科学。在Gaia理论里，有机体不仅适应它们的物质环境，而且改变它。自然选择偏爱改进者，而有益性状的扩散使得局部的改进扩展为全球的改进。不可避免地会有灭绝和失败者，获胜者也许只是昙花一现，但是唯一长期的受益者是生命本身。尽管有内部外部无数的大灾难，生命持续了30多亿年，这个事实本身就是对这个理论的支持。我从未有意严谨地使用“活地球”这个隐喻，不比说“自私的基因”的隐喻更严谨。我用这个隐喻，连同我新造的“地球生理学”的叫法，是为了引起人们注意Gaia的自我调节和生理学上的自我调节之间的相似。

我很高兴Stephen Schneider说服著名的美国地球物理学会在1988年的Chapman会议上专题讨论Gaia理论，但令我失望的是，许多出席会议的人激烈反对已经被抛弃了的70年代的那个Gaia假说，似乎不知道到这个理论已经被修改过了。我那时想，除非杰出科学家们公开认可它，几乎没有人会认真对待Gaia理论。在1995年，我开始与John Maynard Smith 和 William Hamilton交流。他们两人都支持把Gaia作为科学课题来讨论，但是他们两人都不明白行星的自我调节是如何能通过自然选择而进化的。即便如此，当我的同事Tim Lenton在《自然》上写了篇探索性的文章时，Maynard Smith仍然对他予以充分的支持。在一篇与Lenton合写的论文里，Hamilton 想搞清是否有机体对扩散的需要将海藻和气候联系在了一起。在1999年的一个电视节目中Hamilton说：“正如哥白尼的观察资料需要牛顿解释它们一样，我们需要另一个牛顿来解释达尔文式进化是如何产生适合居住的星球的。

于是坚冰开始融化。2001年在阿姆斯特丹，有四个主要的全球变化研究项目派代表出席的讨论会上，1000多代表在一份宣言上签了名，宣言开头这样写着：“地球系统是作为一个整体的自我调节的系统而运动，这个系统由物理组分、化学组分、生物组分和人类组分构成”。

Gaia 理论是富有成果的，它作出成功的或有用的预见（见表一）。远不止于此，它启发了我们对地球系统科学和环境的看法。重要的是，正如Lynn Margulis一再强调的，它把我们的注意力引向微生物－－是微生物构成了地球的生物基础结构。微生物在地球生命史的大部分时间里构成了整个生物圈，它们现在对行星有效的自我调节仍然是不可或缺的。

Gaia的一个主要成就是地球系统建模的改变。气候学家们，特别是Peter Cox, Richard
Betts ，John Schellnhuber及其同事们，在他们的未来气候模型中已包含了一个能作出响应的生物圈。他们的贡献为2001年Intergovernmental Panel关于气候变化第三估价报告的预报添加了现实因素。

在地球年龄的增长的同时，太阳的热度也不可避免地增强；大约十亿年以后地球会冲破气候稳定的极限，无可挽回地返回到无机化学反应支配的状态。此外，随着地球系统的年老，它也会衰弱，要不了多久，微行星碰撞也许就使我们的地球过早地进入最终的阶段－－炎热干燥的状态。绿洲生态系统里的少数几种嗜热生物也许能得以残存，但我们决不可能再现目前享受到的丰富多彩的生命和葱郁繁荣的环境。地球系统已经过了中年，我们应该尊重和关照它。

Gaia 理论综合了目前有关生物学进化和地质学进化的思考。它扩展了而不是抵触达尔文的思想，正如相对论是发展了而不是否定牛顿的物理学。这个理论是阶段性的，但它提供了一个心智的栖息地，在这里我们对地球的理解能够进化和生长。也许它的最大价值在于它的活地球的比喻，它提醒我们：我们是地球的一部分，人的权利要受制于我们在地球上的伙伴们的需要。

表一根据盖亚理论得出的一些预言

预言（年份）检验和结论
从大气证据来看火星不存在生命（1968）海盗号任务（1977），很好地验证了预测
元素以源于生物的气体为载体从海洋传递到陆地（1971）二甲基硫化物，二甲基硒化物和甲基碘化物的发现（1973，2000）
生物可以增强岩石的风化，使气候得以调节（1981）发现微生物能极大提高岩石风化的速率
Gaia已经到中年（1982 广泛被接受
云层的反射和海藻释放的气体有关，能造成对气候的调节（1987）仍在检测中
太古宙大气主要是甲烷（1988）仍在检测中但倾向与被接受
在过去的2亿年中，氧气含量一直在21±5%的幅度波动（1989）仍在检测中
北部森林用“雏菊世界”的方式调节其区域气候（1988）现在成为全球气候模型的一部分
生物多样性在行星自调节中是不可缺少的（1992）用模型测试过，但尚未实地验证
当前的间冰期就是个生理学系统失效的例子（1996）仍在争论中