“蓋亞之謎”的科學解釋

“蓋亞之謎”的科學解釋

2018-07-20 13:11:02  科學媒介中心
本文作者:李楠 編譯

發表時間:2018-07-20 13:11:02作者:李楠 編譯來源:科學媒介中心字體大小:A+  A-

我們可能很難再現地球上的生命起源的一幕。也許是在一個陽光普照的淺水池里,抑或是在地表以下幾英里深的海底那些涌出富含礦物質液體的地殼裂縫附近。盡管我們已經有了足夠的證據證明至少在37億年前,生命已然存在,但我們仍然對生命的起點知之甚少。

 
已過去的億萬年告訴了我們一個顯而易見的事實:生命一直在延續。盡管地球不斷被小行星撞擊,爆發過毀滅性的火山災害,也經歷過極端的氣候變化,但是生命不僅沒有消失,反而愈發強大。
 
這是怎么發生的?最近發表在《生態學與進化研究趨勢》上的研究成果巧妙地回答了這個問題,并且為“蓋亞假說(Gaia Hypothesis)”提供了新的解釋。
 
科學發明家詹姆斯•洛夫洛克(James Lovelock)和微生物學家林恩·馬古利斯(Lynn Margulis)闡述了“蓋亞假說”,該假說最初認為生命通過與地殼、海洋和大氣相互作用,尤其是大氣的構成和氣候變化,對地球表層產生了穩定的影響結果。有了這樣一個自我調節的過程,生命就能夠在這樣的條件下生存下來,而這種條件本來可以在沒有自我調節的行星上令生命不復存在。
 
20世紀60年代,洛夫洛克在為NASA工作時提出了“蓋亞假說”。他認識到生命并不是地球上的過客,相反,它徹底重塑了地球,創造了石灰巖等新巖石,通過產生氧氣影響了大氣,并推動了氮、磷和碳等元素的循環。人類造成的氣候變化很大程度上是我們燃燒化石燃料釋放二氧化碳的結果,而這只是生命影響地球系統的最新方式而已。
 
現在人們已經承認生命是地球上的一股強大力量,但對“蓋亞假說”仍然存在爭議。盡管除了一些特殊情況之外,地表溫度有利于液態水的普遍存在。但許多研究人員認為這要歸功于偶然的好運氣。如果地球完全進入了冰凍或高溫狀態(類似于火星或金星),那么生命就會滅絕,我們也無需在這里思考它是如何持續這么久的了。這是一種人們普遍接受的論點。
我們可能很難再現地球上的生命起源的一幕。也許是在一個陽光普照的淺水池里,抑或是在地表以下幾英里深的海底那些涌出富含礦物質液體的地殼裂縫附近。盡管我們已經有了足夠的證據證明至少在37億年前,生命已然存在,但我們仍然對生命的起點知之甚少。   已過去的億萬年告訴了我們一個顯而易見的事實:生命一直在延續。盡管地球不斷被小行星撞擊,爆發過毀滅性的火山災害,也經歷過極端的氣候變化,但是生命不僅沒有消失,反而愈發強大。   這是怎么發生的?最近發表在《生態學與進化研究趨勢》上的研究成果巧妙地回答了這個問題,并且為“蓋亞假說(Gaia Hypothesis)”提供了新的解釋。   科學發明家詹姆斯•洛夫洛克(James Lovelock)和微生物學家林恩·馬古利斯(Lynn Margulis)闡述了“蓋亞假說”,該假說最初認為生命通過與地殼、海洋和大氣相互作用,尤其是大氣的構成和氣候變化,對地球表層產生了穩定的影響結果。有了這樣一個自我調節的過程,生命就能夠在這樣的條件下生存下來,而這種條件本來可以在沒有自我調節的行星上令生命不復存在。   20世紀60年代,洛夫洛克在為NASA工作時提出了“蓋亞假說”。他認識到生命并不是地球上的過客,相反,它徹底重塑了地球,創造了石灰巖等新巖石,通過產生氧氣影響了大氣,并推動了氮、磷和碳等元素的循環。人類造成的氣候變化很大程度上是我們燃燒化石燃料釋放二氧化碳的結果,而這只是生命影響地球系統的最新方式而已。   現在人們已經承認生命是地球上的一股強大力量,但對“蓋亞假說”仍然存在爭議。盡管除了一些特殊情況之外,地表溫度有利于液態水的普遍存在。但許多研究人員認為這要歸功于偶然的好運氣。如果地球完全進入了冰凍或高溫狀態(類似于火星或金星),那么生命就會滅絕,我們也無需在這里思考它是如何持續這么久的了。這是一種人們普遍接受的論點。   20億年前,在多細胞生命出現之前,地球經歷了一個“雪球”階段。   地球上的生命無疑是幸運的。首先,地球在太陽系中處于宜居地帶,它以一定的半徑圍繞太陽運行,這個距離使得地球的表面溫度適合產生液態水。或許宇宙中有其他奇特的生命組成形式,但就目前我們所了解來看,生命的組成需要水。地球上的生命也很幸運的避免了巨型小行星的撞擊。如果一塊隕石比6600萬年前導致恐龍滅絕的隕石大的話,就可能徹底摧毀地球。   但是,如果生命能讓命運天平向自己傾斜呢?如果生命在某種意義上,通過減少行星尺度擾動的影響,從而讓自己變得幸運呢?這就引出了“蓋亞假說”中最突出的問題:行星的自我調節是如何起作用的?   雖然自然選擇的解釋性很強,并且可以說明我們所觀察到的物種隨時間的變化,但我們一直缺乏一種理論機制來解釋地球上的生物和非生物是如何進行自我調節的。因此,“蓋亞假說”通常被認為是一個有趣的設想,但也只是推測性的,也就是說這項假說并不是基于任何可驗證的理論而提出的。   選擇穩定   人們似乎終于找到了“蓋亞假說”的合理解釋。其機制是“順序選擇”。原則上講很簡單,當生命出現在這個星球上時,它就開始影響著環境條件,逐漸形成一種穩定的狀態。這種穩態類似于恒溫箱,但也可能是一種不穩定的失控狀態,例如雪球時期,這個事件幾乎讓地球上生活了超過了6億年的物種覆滅殆盡。   如果穩定下來,生物則將會進一步得到進化,這將重新配置生命與地球之間的相互作用。一個著名的例子是在大約30億年前的沒有氧氣的世界里,出現了可以產生氧氣的光合作用。如果新出現的相互作用逐漸穩定,那么行星系統將繼續進行自我調節。但新的交互作用也可能產生干擾和失控。就光合作用而言,在大約23億年前的“大氧化事件”中,它導致大氣中的氧氣水平突然升高。這是地球歷史上為數不多的時期之一,它可能比現有的生物圈要好得多,并且徹底地重啟了環境系統。   選擇機制   生命和環境自發地進行自我調節的機會可能比我們預期的要多得多。實際上,生物多樣性越豐富,這種可能性就越大。但這種穩定性是有限度的。如果把系統推得太遠,它可能會超越臨界點,迅速崩潰,進入一個新的、可能非常不同的狀態。   這不是一個純粹的理論推理,因為我們可以用許多不同的方法來檢驗它。從微觀尺度來說,我們可以進行不同細菌菌落的實驗。而宏觀尺度上,它涉及尋找其他恒星系的生物圈,并利用這些數據來推算宇宙中生物圈的總數,不止是它們的產生,甚至是它們的延續狀況。   詹姆斯·拉夫洛克在地球上的希臘女神蓋亞雕像旁邊。   我們不該忘記這些發現與當前氣候變化之間的相關性。無論人類做什么,生命都會以某種方式繼續。但如果我們繼續排放溫室氣體,從而改變氣候,那么我們就有可能助推某些危險難控的氣候變化。而這些危險可能使人類文明走向終結,我們也就不再能夠進一步影響氣候了。   “蓋亞假說”所描繪的自我調節可能非常有效。但沒有證據表明它更鐘情于某一種生命組成方式。在過去的37億年里,地球上出現了無數的物種,然后又消失了。我們沒有理由認為人類在這方面將得到更多的眷顧。
20億年前,在多細胞生命出現之前,地球經歷了一個“雪球”階段。
 
地球上的生命無疑是幸運的。首先,地球在太陽系中處于宜居地帶,它以一定的半徑圍繞太陽運行,這個距離使得地球的表面溫度適合產生液態水。或許宇宙中有其他奇特的生命組成形式,但就目前我們所了解來看,生命的組成需要水。地球上的生命也很幸運的避免了巨型小行星的撞擊。如果一塊隕石比6600萬年前導致恐龍滅絕的隕石大的話,就可能徹底摧毀地球。
 
但是,如果生命能讓命運天平向自己傾斜呢?如果生命在某種意義上,通過減少行星尺度擾動的影響,從而讓自己變得幸運呢?這就引出了“蓋亞假說”中最突出的問題:行星的自我調節是如何起作用的?
 
雖然自然選擇的解釋性很強,并且可以說明我們所觀察到的物種隨時間的變化,但我們一直缺乏一種理論機制來解釋地球上的生物和非生物是如何進行自我調節的。因此,“蓋亞假說”通常被認為是一個有趣的設想,但也只是推測性的,也就是說這項假說并不是基于任何可驗證的理論而提出的。
 
選擇穩定
 
人們似乎終于找到了“蓋亞假說”的合理解釋。其機制是“順序選擇”。原則上講很簡單,當生命出現在這個星球上時,它就開始影響著環境條件,逐漸形成一種穩定的狀態。這種穩態類似于恒溫箱,但也可能是一種不穩定的失控狀態,例如雪球時期,這個事件幾乎讓地球上生活了超過了6億年的物種覆滅殆盡。
 
如果穩定下來,生物則將會進一步得到進化,這將重新配置生命與地球之間的相互作用。一個著名的例子是在大約30億年前的沒有氧氣的世界里,出現了可以產生氧氣的光合作用。如果新出現的相互作用逐漸穩定,那么行星系統將繼續進行自我調節。但新的交互作用也可能產生干擾和失控。就光合作用而言,在大約23億年前的“大氧化事件”中,它導致大氣中的氧氣水平突然升高。這是地球歷史上為數不多的時期之一,它可能比現有的生物圈要好得多,并且徹底地重啟了環境系統。
 
選擇機制
 
生命和環境自發地進行自我調節的機會可能比我們預期的要多得多。實際上,生物多樣性越豐富,這種可能性就越大。但這種穩定性是有限度的。如果把系統推得太遠,它可能會超越臨界點,迅速崩潰,進入一個新的、可能非常不同的狀態。
 
這不是一個純粹的理論推理,因為我們可以用許多不同的方法來檢驗它。從微觀尺度來說,我們可以進行不同細菌菌落的實驗。而宏觀尺度上,它涉及尋找其他恒星系的生物圈,并利用這些數據來推算宇宙中生物圈的總數,不止是它們的產生,甚至是它們的延續狀況。
 
我們不該忘記這些發現與當前氣候變化之間的相關性。無論人類做什么,生命都會以某種方式繼續。但如果我們繼續排放溫室氣體,從而改變氣候,那么我們就有可能助推某些危險難控的氣候變化。而這些危險可能使人類文明走向終結,我們也就不再能夠進一步影響氣候了。
 
“蓋亞假說”所描繪的自我調節可能非常有效。但沒有證據表明它更鐘情于某一種生命組成方式。在過去的37億年里,地球上出現了無數的物種,然后又消失了。我們沒有理由認為人類在這方面將得到更多的眷顧。

責編:微科普

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