地球-我们输不起的实验室 作者:斯蒂芬·施奈德-第3节
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盖亚假说是真的吗
太古代随着太阳发光度的增加，大气具有高的CO。含量，第二种假说认为＊0。的降低与生物学过程有关。英国科学家兼作家詹姆斯·洛夫洛克（JamesLovelock）曾提出了一种生物负反馈机制的设想。他试图解释生命如何在全球规模上作为一个自动负反馈系统发挥其作用。在他的邻居、作家威廉·戈尔丁（WilliamGolding）的建议下，洛夫洛克借用希腊神话中大地女神盖亚（Gala）的名字将自己的假说命名为“盖亚假说”。科学家们起初并没有认真对待这一假说，而且至今仍有一些人对它持批评态度。这一假说认为地球的大气圈是生物自身的一个不可缺少的、有规律的、必然的组成部分，千百万年以来，生物控制了大气圈的温度、化学成分、氧化能力以及酸度。“盖亚假说”的拥护者认为生物对地球的环境起着积极的控制作用。洛夫洛克的机制基于下述这样一种假定：即发生光合作用的微生物（如浮游植物），易于在CO。含量高的环境里繁殖，因此这些微生物将会迅速地（指在地质时间框架内）从空气和海洋中带走C（）。，转变成碳酸钙。当它们死亡之后，这些碳酸钙沉积物会下沉至海底。
洛夫洛克和微生物学家林恩·马古利斯（I。gun Margulis）多年来一直坚持认为，如果不是生物在起作用，地球的大气圈将是CO。占绝对主导地位，地球与其姐妹行星火星和金星将没有两样。他们指出，这种以C（）。为主的大气圈产生～种强大的温室效应，使地球的温度比现今要高出60C左右，足以烧焦各种生物。
上述假说的反对者的反驳意见是，在地球上出现生物后的大部分时间里，并没有进化出浮游植物，既然如此，这一CO；消耗机制又怎能被用来解释“晚近”（即过去几亿年）之前的“弱早期太阳作谬”？“盖亚假说”支持者对此的一种回答是，推测自生命开始以来即存在于海水之中的藻类可以分泌能固定一些碳的固体物质。确实，我们在太古代海滨所见的蘑菇状岩石就是一些叠层石，它们是生活在自身分泌的含碳的坚硬物质中的有光合作用的蓝绿藻的堆积作。今天人们仍能找到这些游绿藻的后代，它最常见于澳大利亚西部的沙克湾。
叠层石的进化历史较末代恐龙的长50倍。然而，人们并没有定量地证明，地质历史时期曾经存在足够多的这类生物体的结构，它们消耗了大量的CO。。因此，叠层石的作用仍是～个尚待解决的问题。
有时候会出现～些新的理论来调和一些互相对立的假说［这些假说即为哲学家托马斯·库恩（Tho。as Kuhn）所指之对立的范例（naraaigms ）j。在我看来，虽然现在肯定“盖亚假说”的真实性尚为时过早，但这一假说的支持者确实提出了一些新的明智的见解，从气候变化中的生物调节作用寻找弱早期太阳佯谬的答案。例如，霍华德大学的戴维·施瓦茨曼（David Schwartzman）及纽约大学的泰勒·沃尔克（Tyler Volk）不留常规，另辟踢径，认为太古代时期的气温既不是很热也不是很冷（见图二。l）。相反，这两位学者指出，只是当无机因素使他表温度降低到一定程度（如低达60℃～70C）后，才使原始细菌得以生存，此时，“盖亚假说”才发挥作用。随后几十亿年的生物进化在几亿年前达到高潮，出现了树木和花卉，生命的不断发展降低了CO。含量，从而结束了超级温室效应。随着地质时代温度的降低，更多形式的生命得以生存下来，它们反过来又通过消耗CO。参与了“盖亚假说”的负反馈过程。
沃尔克和施瓦茨曼提出了一种消耗CO的特殊机制——“风化的生物加强作用”的假设，该机制认为土壤中的生物群使矿物和风化化学物质之间的接触面积增加，从而大大提高了风化作用的速度。提出这一大胆设想的两位学者注意到了下面这一重要的、相矛盾的地质事实：自20亿年前以来，多次出现岩石表面被磨损和铲到的明显证据，它们与现代冰川所造成的印痕同属一类。因此，传统的地质学思维方法认定在地球历史的大部分时期存在多期冰川作用。如果这种结论成立的话，那么自太古代到进化出现复杂有机体的6亿年前这段时间内，地球的温度就不会像“盖亚假说”所要求的那样炎热。然而，“盖亚假说”的支持者们如同训练有素的律师一般，试图为这些与他们的假说相侼的证据作出另一种解释。比如，针对上述证据，沃尔克和施瓦茨曼指出岩石表面的擦浪是由诸如流星和小行星等外来物与地球的碰撞造成的碎屑流引起。这一问题的解决将成为地学研究者在探究地球系统科学的尝试中的收获之一。
尽管围绕CO。的消耗及温度问题仍存在争议，但没有人会怀疑生物在形成氧气这一空气中最主要的成分过程中所起的不可缺少的作用。光合作用利用太阳能将CO。和水转变成碳水化合物和氧分子。这一反应的逆过程就是生物的氧化作用和腐烂作用，即碳水化合物与氧结合，释放出热量，产生Ct）和水蒸气。将无权的CO。分子分解并合成有机的碳水化合物和氧需要利用太阳能来进行。同样，生物的氧化作用和腐烂作用则要利用氧气并释放出碳水化合物的化合键所储存的化合能。这种“生物能”可使热血动物产生自身的内部热量，这也解释了树木为什么可以作为一种燃料来燃烧。矿物燃料之所以能够燃烧是因为它们都是有机物质的残余，这些以碳为主的有机分子蕴藏着曾用来将CO。转变成植物体的古代太阳能。大多数生物最后都要经历腐烂过程，但这些有机物残余则不然，它们所含的碳分子以化石这种形式被保存下来。
这种情形的出现一般要经历一段缺氧的埋藏环境。如有机物先在内陆浅海底部沉积下来，然后遭受密闭、压实作用，并且随着时间的推移，有机物质经过化学变化转化为煤、石油以及甲烷（天然气）。我们今天点燃一块煤，实际上是在还原有机物残余中恐龙时代的CO。和太阳热量。一座煤矿的形成需要数百万年的时间，但人类释放煤中的CO。和其他化学元素则只需数十年的时间。这一人为加速的过程产生了我们今天最大的全球问题，并使气候学家和生态学家均为之忧心忡忡。为了明智地讨论上述问题，科学家们需要掌握确定时间的方法。他们不仅要确定岩石的形成时代（绝对时代），而且要确定一层岩石相对于其上下岩层而言的对比年代（相对年代）。
为古老的地球定年龄
地球并不是一直被认为有几十亿年的年龄的。早在18世纪，在法国和英格兰，人们就对地球的年龄争论不休。这场争论起先发生在神学家和科学家之间，后来科学家内部也出现了分歧。最早赋予地球绝对年龄的是一些神学家，对他们的结论提出话问会被认为是离经叛道。1645年，爱尔兰阿尔马大主教詹姆斯·厄舍（JamesUssher）引用圣经里列举的资料（实际上他是根据圣经人物的世代关系回溯创世历史），宣称上帝创世事件发生在公元前4004年10月26日上午9点整。到了19世纪早期，大多数地质学家明显地感到大主教的推测不大可能正确，甚至与真实情况相去甚远。
18世纪，苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿（James Hutton）以及他的一些同代人相信，塑造地球表面的物理和化学过程清楚地证明地球至少有几千万年的历史。他们的这一估计是根据一种被称为均变论（与突变论相对立）的地质学原理得出来的。均变论认为过去的地质作用实质上与今天正在进行的地质作用相同（这一概念在接下来的几页里将要多次提及）。例如，赫顿提出粘土和粉砂在现代河口的沉积方式是可以被视察到的。通过研究这些新的沉积层如何固结为页岩和粉砂岩，人们就可以推断老沉积层堆积所需的时间。如果假定在过去数百万年间发生相同的地质作用，我们就能够估计类似地层的年代，并得出地球的大致年龄。然而，这种采用岩层作为年代标志的方法所依靠的许多变量过于复杂，以致难以进行准确测量。比如，气候的变化以及陆地升高的差异可以改变剥蚀和沉积的速率。
图1．1所示的是根据现代测年技术而建立的一张地质年表序列。应当指出，虽然19世纪的地质学家们并不清楚他们当时研究的岩石的绝对年代，但他们多少知晓某一地层的相对年代。年轻岩石发育在年老地层之上，这一假定在大多数情形下是正确的，但也不尽然。这一假定就是所谓的地层层序律。
地质学家们针对不同岩石地层的成分和年龄设计了一套命名体系。这一体系由一系列时间段以及在这些时间段内沉积的岩石的名称所组成。这些时间段仅仅是地质时间的次级单元。过去6亿年的“晚近”时期由古生代（5．7～2．25亿年以前）、中生代（2．25～0．65亿年以前）以及新生代（0．65亿年以前至今）组成。大多数生命是在这一地质时代进化而成的。这些生物的化石残余被广泛地用来确定地层的相对年代，并将地质年代进一步细分为纪（Period）和世（ePoch）。我们已经掌握了生物进化的许多阶段，知道哪些动物和植物在进化过程中先出现，我们也就因此能够根据岩石所携带的化石的类别来确定岩层的相对年代。（化石的价值还体现在：通过在不同地区地层之间进行化石的对比，有可能追踪地球表面大陆漂移的轨迹。我们在下文还将看到，化石也是有用的古气候标志。）19世纪的地质学家们建立起来的地质时间序列主要解决了相对年龄问题，但绝对测年技术在当时仍是一个悬而未决的问题。寻找～种可靠的时钟来重建绝对地质年表，已成为学者们此后致力研究的一个主要目标。
开尔文勋爵的测年方法
在詹姆斯·厄舍宣布地球年龄200年之后，开尔文（Kelvin）勋爵试图利用科学的手段和推理来求出地球的年龄。
作为维多利亚时代格拉斯哥大学的自然哲学教授，开尔文是当时最具影响的理论物理学家。他采用当时已知的热力学原理来计算地球的年龄。根据对来自地球内部的熔岩流的观察以及以往对深部矿床的开采经验，开尔文知道地球的内部比地表要热得多。因此，他期望通过观察地表和地内的温度差别（即所谓地温梯度）来推测地球的形成年龄。他假定地球的初始状态是一个温度约为3850“C的熔融体。因此，他的计算结论是约需1亿年的时间才能使地球达到现在的地温梯度值。这一时间即被他视为地球的年龄。
开尔文的上述估算结果在其支持者——理论物理学家和反对者——地貌学家（研究地表形态的地质学家）之间掀起了一场大争吵。地貌学家们在应用均变论原理计算某些地质特征的形成时间时，发现地球表面的某些特征所反映的地球年龄远远不止1亿年。但是，这些地貌学家在当时又无法令人信服地证实他们所观察到的地质现象代表了更老的地球年龄，其观点也当然地遭到了许多物理学家的反对。在地球年龄这一问题上，物理学家们在当时提出的新认识实际上增加了科学家们对地球绝对年龄认识的不确定性。但这种局面只持续了数十年。
有时候，一些新的科学见解或发现会导致一种修正的范例以及一些看起来是矛盾的理论和观察结果之间的调和。地球年龄之争就是这样一种情形：在19世纪与20世纪之交，放射性的发现使得地球年龄这一问题再一次成为讨论热点。开尔文勋爵当初是不知道地核放射性作用所产生的那部分热量的，如果在他的计算中考虑到放射性产生的这部分热量，那么计算结果就会与地质学家们的最佳估计更为接近。后者是将均变论原理应用到地表形态的演化研究并进而推测地球的年龄的。放射性也为地质学家们进行地球绝对年龄的测定提供了一种独立的基准。放射性测年
一个放射性原子会随时间发生衰变。放射性原子的衰变速率被认为是一个常量（除非原子是以接近光速的速度发生运动），它实际上不受压力、温度等的影响，也不会因为由放射性原子构成的化合物（如岩石、水或空气）发生物理变化而发生改变。一个放射性元素的衰变速率是以其半衰期来表示的，即初始原子数的一半通过自然放射出质量和能量而衰变成其他（子）元素和粒子所需要的时间。如果我们知道子元素形成的恒定速率，那么，求得原始元素与子元素的比值，我们就能推算一块岩石的年龄。这一知识使得科学家们能够计算包含
