盖亚假说——一种新的地球系统观(一)

盖亚假说——一种新的地球系统观(一)

【内容提要】本文阐述和讨论了盖亚假说的形成过程、盖亚假说的科学内涵及其争论、由盖亚假说所导致的新的地球系统观和盖亚假说给人们的启示。

【关键词】盖亚假说/地球系统观

【正文】

盖亚假说（Gaiahypothesis）是由英国大气学家拉伍洛克（JamesE.lovelock）在20世纪60年代末提出的。后来经过他和美国生物学家马古利斯（Lynnmargulis）共同推进，逐渐受到西方科学界的重视，并对人们的地球观产生着越来越大的影响。同时盖亚假说也成为西方环境保护运动和绿党行动的一个重要的理论基础。本文将对盖亚假说的提出和发展、盖亚假说的科学内涵及其争论、由盖亚假说所导致的新的地球系统观和盖亚假说给人们的启示等方面进行阐述和讨论。

一、盖亚假说的提出和发展

60年代初，正在美国国家喷气动力实验室工作的拉伍洛克接受了美国国家航空航天局（NASA）关于火星上是否存在生命的研究课题。他提出了一种直接分析火星上的大气构成，而不用把航天器降落到火星表面来定点寻找生命是否存在的想法。他认为如果一个行星存在生命，必定要求其大气既作为生命有机体的一种原料资源，又作为生命有机体的一种废物排放之地。行星大气对生命有机体的这两种用途将改变大气构成，使其远离化学平衡态。如果观测到的一个行星的大气构成远离化学平衡态，则可能存在生命。带着这种想法，他开始考察当时已知其大气构成的火星和金星，发现这两颗行星的大气构成都接近化学平衡态。大气的主要成分是一般不进行化学反应的二氧化碳。因此，两者都不应该存在生命。为了肯定这一预言，他开始考虑有生命存在的地球大气的构成，发现其远离化学平衡态，如大气中高达21％的活性气体氧气和1.7ppm（百万分率）沼气能共存（由于在阳光下沼气和氧气会起化学反应，形成二氧化碳和水，要维持沼气1.7ppm的比率，每年需要5亿吨沼气由能产生沼气的生物体排出），而二氧化碳只有万分之几。

正是在这个时候，即1965年秋的一天，盖亚想法出现在他的脑海里，即地球大气的这种独特的和不稳定的气体混合比率为什么在相当长的时间内能维持不变呢？是否地球上的生物不仅生成了大气，而且调节大气，使其保持一种稳定的气体构成，从而有利于生物体的存在呢？

当时他对这种控制系统的性质还没有任何想法，只是认为地球表面的有机体必定是这个系统的一部分，并且气体的构成可能是被调节的因素之一。后来，他从天体物理学家那里得知，恒星随着年龄的成熟，发热能力会增大；自从36亿年前地球上有生命以来，太阳的发热能力已经增强了25％。然而地球却保持了有利于生命存在的温度。在如此长的时间内，地球的气候是否会被有效地调节呢？此时，一种涉及整个行星和行星上生命的控制系统概念在他的大脑里牢固地建立起来。

但这时他没能继续推进他的这种观点，而是推进他的更小的目标，说服喷气动力实验室研究生命科学的同事们接受大气分析是探测其它行星上是否存在生命的有效方法。他当时并没有意识到，如果他们接受他的观点就意味着承认火星上几乎不可能存在生命。这可能导致取消去火星上直接探测生命是否存在的海盗号飞船计划。

尽管这样，NASA对他的这种危险的观点还是很宽容的，并允许他在这方面继续工作。他的一个天文学同事赛甘（CarlSagan）是ICARUS（航程无限的洲际宇宙火箭）杂志的主编，虽然不同意他的通过大气分析来探测行星上是否存在生命的观点，但同意在其杂志上发表他的有关论文。而他把地球作为一个自调节系统的文章是在1968年美国航空学会会议上首次发表的。但把地球作为一个超级有机体并用盖亚（Gaia）来命名则是1972年的事。他接受了在英国家乡的邻居、小说家勾尔丁（wil-liamGolding）的建议，用盖亚这个古希腊地球女神

的名字来命名。随后他与杰出的生物学家马古利斯合作来发展他的盖亚假说。

但拉伍洛克和马古利斯关于盖亚假说研究论文的发表遇到了阻力。《科学》和《自然》等重要科学刊物虽然对他们的论文很感兴趣，但不能通过同行评审。在这些评审者看来他们的观点是危险的。尽管他们的论文没能在这些重要的刊物上发表。但拉伍洛克常常被邀请参加各种学术会议，并以会议文集的形式发表他们有关盖亚假说的研究论文。1989年美国地球物理联合会选择盖亚作为学术会议的主题，几百名科学家和学者参加了会议，并于1993年出版了《科学家论盖亚》（ScientistsonGaia）大型文集。从此尽管科学界对盖亚假说有不同的观点，但以此为主题进行研究的科学家越来越多，特别是近年来NASA在全球生态学、生物圈学和地球系统科学的名义下支持此类研究，使得其影响也越来越大。一些科学哲学家、环境保护主义者和政治家等也从各自的角度关注和讨论盖亚假说，有关的论文和书籍也越来越多。

二、盖亚假说的科学内涵及其争论

现代科学把地球作为一个超级有机体的思想并不是拉伍洛克最先提出的。早在1785年被称为地质学之父的哈顿（JamesHutton）就指出：“我认为地球是一个超级有机体并且应该用生理学的方式对它进行恰当的研究”〔1〕。他利用血液循环和氧与生命之间的联系等生理学的发现来看待地球的水循环和营养元素的运动。然而，到了19世纪哈顿的这种把地球作为一个整体来进行研究的观点被抛弃了。地球科学和生命科学分离了。地质学家认为，地球环境的变化只不过由化学的和物理的过程所决定；而生物学家则认为不管地球环境如何变化，对有机体来说，只是个适应的问题。甚至达尔文也没有认识到，我们呼吸的空气、海洋和岩石或者是生命有机体的直接产物，或者被生命有机体大大地改变了。

直到1945年，被称为现代生物地球化学之父的俄国科学家沃纳德斯基（VladimirVernadsky）才认识到生命和物质环境是相互作用的，大气中的氧气和沼气是生物的产物，并建立了一种生命和物质环境两者共同进化的理论。但这种共同进化论很象精神上的朋友关系，生物学家和地质学家保持朋友关系，但不是密不可分的关系。这种共同进化论不包括由地球上的生物和其物质环境所构成的系统主动地调节地球的化学构成和气候；更重要的是，它没有把地球看作一个活着的有机体，更没有把它看作一个生理的系统。

盖亚假说把共同进化论向前推进了一大步。它认为地球上的生命和其物质环境，包括大气、海洋和地表岩石是紧密联系在一起的系统进化。它把地球看作一个生理的系统，拉伍洛克甚至直接把盖亚假说称为地球生理学。正象生理学用整体性的观点看待植物、动物和微生物等生命有机体一样、地球生理学是把地球作为一个活的系统的整体性科学。拉伍洛克认为这种地球生理学是一种硬的和严格的科学。它主要研究诸如大气和温度调节系统的性质。它也是行星医学（Planetarymedicine）这个实际经验领域的基础。它不能打破现代科学思想和实验的诚实传统。它是哈顿和沃纳德斯基有关思想和理论的继承和发展。

作为一个科学假说，盖亚假说不仅是要描述世界的真实图景，更重要的是它能刺激人们有效地提出问题和预测，随后的研究或者证实其预测，或者拓宽有意义的研究领域。这样，盖亚假说就有效地推动了研究的进展。盖亚假说的预测有些已经得到证实，有些还在研究之中有待证实。例如，1968年根据盖亚假说预测火星上没有生命，1977年海盗号飞船予以证实；1971年预测有机体产生的化合物能把一些基本元素从海洋转移到大陆表面上来，1973年二甲基硫和甲基碘被发现；1981年预测通过生物地增强岩石的风化，二氧化碳可以控制调节气候，1989年发现微生物大大加速了岩石的风化；1987年预测气候调节通过云密度的控制与海藻硫气体的释放相联，1990年发现海洋云层的覆盖与海藻的分布在地理上是相配的，此预测还需要进一步的证实；1973年预测在过去的2亿年里大气里的氧气保持在21±5％的水平，这一预测在证实中；1988年预测，太古代的大气化学由沼气主导着，此预测在证实中；等等。总之，盖亚假说在预测和证实的意义上完全遵循现代科学产生以来的传统，并大