书城科普读物地球之难:困境与选择
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第21章 环境演化

是生命使地球的物理化学性质发生巨大变化,变成了一颗自创生、自组织、自调节、自防护的生命之星。地球的生命性体现为它的生物和非生物协同作用的整体性,没有地球独特的非生物环境,生命就不会诞生和持久地进化,没有生物的作用,地球的整体环境就不会远离热力学的平衡态,非生命系统就不可能呈现出适合生命繁衍的物态和性质。

生命完全改变了地球上的氧化-还原平衡。在生命诞生前的太古代,海洋中的铁被紧紧地结合着,部分以三价铁形式存在于磁铁矿、黄铁矿矿石中。绝大多数硫化氢被氧化,或被结合在矿物中。光养生物的活动使大气中出现了氧,氧化性大气导致许多岩石组分的变化,并使平流层上空形成了一个臭氧层,遮挡住来自太阳的大量紫外线,保护着地球上的生命,同时还保护着地球上的水不被分解散失。生物也分解水,但生成的氢能被保存下来,使氢得以与氧结合而再形成水。如果没有生物,仅是强烈紫外线分解水,生成的氢会逸散到太空,氧则被矿物沉积作用所牢牢束缚,地球就会逐渐失去水而变得完全干涸。生物在维持土壤湿度、产生大气环流方面也起着重要作用。

生命还极大地改变了二氧化碳和碳酸盐类在地球上的分布。在生命诞生之前,地球大气中二氧化碳含量高达95%以上,当时的太阳很年轻,地球获得的热量比现在要少25%~30%,但大气中高含量的二氧化碳所产生的温室效应,专家估计使地球表面的温度达到20℃~25℃,这个温度比现在还要高得多。生命诞生后,随着生物不断消耗二氧化碳,热量也逐渐从地球散失,但与此同时,从太阳那里所获得了逐渐增加的热量补偿。如果没有生命,地表的气温将形成二者的叠加而比现在要高得多。生物将碳编织进生物圈的有机结构中,地质构造运动又将碳随同生物体一道埋入地下,仅石炭纪储存到地下的碳就远远超过了现在地表生物体中的碳,已知的煤和石油中的碳就是地表生物体中碳含量的50倍。绝大多数碳则以碳酸钙形式存在于海洋生物的外壳及其他结构中,沉积作用将它们埋入海床,海陆变迁又使它们回到地面,形成了今天在世界各地都有的镶嵌着化石的磷灰石、大理石和其他石灰质的岩石。

生物不仅曾经使无自由氧的大气出现氧的积累过程,而且把这种积累控制在约21%的水平上,既不过高而使生物圈变成火海,也不过低而使需氧生物窒息;不仅使曾经占大气95%以上的二氧化碳出现耗减,而且把这种耗减的幅度控制在约0。03%的水平上,既不过高而将地球变成闷热的蒸笼,也不过低而使地球冻结成冰球;不仅使地球的平均气温稳定在约15℃的水平上,既大大偏离了理论上的-18℃数值,也远远偏离了45亿年来太阳能辐射至少增加了25%对地球的物理效应,而且使地球的酸碱度呈中性、海水呈弱碱性,从而适合于生命的繁衍。

地壳表层原是一层致密坚硬的岩石,自然风化使岩石崩解破裂,使岩石中的元素得以释放,从而为靠光合作用和少量营养元素就能成活的植物登陆提供了条件。深入岩石缝隙中的植物根系加快了岩石的崩解过程,并吸收对生长有用的营养物质,将其储存在生物体内,而其他不被吸收的物质则被雨水冲刷、溶解而流失,植物残体被微生物分解后又将营养物质释放到土壤表层。经周而复始的筛选,营养元素逐渐富集,其他物质则不断流失,从而使土壤越来越富含营养元素和有机质、腐殖质,越来越有利于植物和微生物的繁衍。

海洋蒸发被风力带到陆地形成降水,为生命登陆提供了条件,但这种降水只能到达陆地距海岸500~1000千米的狭小地带,植物通过生长过程中的水汽蒸腾形成自降水模式而将降水引向内陆纵深,同时通过高低不同的植物对降水层层拦截,以保护土壤不被雨水冲刷,并将降水最大限度地引入土壤和储存于地下,最大限度地减少地表洪水径流的灾害和流失,平衡洪旱季节的水供给,以满足生物生长周期的水需求。

生命不只是以不同的个体、种群、物种形式存在,还必须以普遍联系、相互转化、动态平衡的网络存在。生命合成的另一面是分解,这一过程首先在生物体内进行,即使是自养生物也必须能分解生物聚合体,必须有消化酶;这一过程还必须在生物之间进行,生物如只会合成不会分解,环境很快就会成为不能降解的聚合体堆积的世界,就不会有生生不息的生物圈,而只会有一个惰性的“塑料圈”。

生物在对环境中物质能量和空间充分利用的进化过程中,逐渐演化出了多样性丰富的物种,它们彼此间链接成一个极为复杂的自循环自平衡系统。其中绿色植物是这个巨大生命系统的支撑基础,它们利用太阳能和化学元素生产生物体;微生物则充当着生物体的分解还原者,构成生物系统循环的重要一环;动物作为这个系统中的纯粹消费者,也决非是多余的包袱,它们对加快生物系统的物质循环和调节生态平衡起着重要的作用。没有动物对植物的消化,而直接由微生物分解植物的粗纤维,整个生物系统循环的速率就会慢得多,这就会降低整个生物系统适应环境变化而进化的能力;同时,多样性的肉食动物调节着多样性植食动物的平衡,反过来,多样性的植物又调控着多样性的植食动物进而肉食动物的数量和结构。这种多样性植物、植食动物、肉食动物、微生物的反馈调节,既有效地实现了生物系统的动态平衡和物质循环,又有效地避免了任何一个优势物种排挤其他物种而独占空间和资源,从而避免了生物系统的简化和衰落。

生命的合成-分解-合成的链接和循环,是生命之网中最早就有的联系,最初的生命合成快于生命的分解,当细菌类生物繁盛到覆盖地球的表面时,就成了失去自养能力的突变体的取食对象,这些突变体就变成了异养生物。生命的合成-分解-合成的链接和循环贯通于生物体内和不同物种之间,使生物圈呈现出类生命体的自创生、自调节、自平衡性质。生命的进化不是物种分离、孤立演进的纵向过程,而是相互作用、合成分解、协同演进的过程。在这一过程中,生命从生物分子进化到单细胞时代、多细胞时代,进化出了植物和动物,直至进化出了有复杂心智和行为能力的人类。

但细菌世界为什么没有统统都跟着进化过来?这是因为它们在生命的合成-分解-合成的链接和循环中的作用不可或缺和替代,细菌曾是生命大厦的全部,其自养、异养的分工协同即能完成生命的合成-分解-合成的链接和循环,但植物、动物的自养、异养分工却不能完成这种循环,它们必须与细菌协同起来才能做到,细菌仍然起着支撑生命大厦的基础性作用。在生命的合成-分解-合成的链接和循环过程中,我们把植物(自养生物)称为生产者,动物(异养生物)称为消费者,细菌称为分解还原者,其实细菌不只是分解动植物的残体和排放物,在“生产”“消费”的每一个环节都起着不可或缺的合成和分解作用。生物之间的相互关系远不只是捕食与被捕食的关系,还有着相互制约、相互补益的复杂的共生关系,即使是自养与异养、捕食与被捕食的关系,也绝不只是你死我活的关系,在生态系统的尺度上,它展示的是通过相互制约达到生态平衡和物种共生进化的关系。从一小块林地、草地、池塘到森林、草原、湿地、海洋直到整个生物圈,众多小生态系统中生物间的相互作用和平衡复合于较大生态系统的复杂结构中,如此层层叠叠复合成更大更复杂的结构,直至闭合于一个单一的异常复杂的生命之网———生物圈。

生物圈在历史上曾经历过多次海陆变迁、气候变化、火山爆发、小行星撞击等劫难,它导致许多盛极一时的物种被灭绝,但生物圈并未被摧毁,环境压力刺激了基因突变,在每次劫难之后,生物进化在新的环境中又获得了更大进步,人类的诞生也正是一系列基因突变的产物。

生物是地球非生物环境的产物,同时又通过自己的生命活动改变着地球的非生物环境,使之适合于生物的生存和进化。从而使生物和非生物之间,形成前者“适应”后者而进化、后者“适合”前者而改变的协同进化机制。要想深刻理解生物与环境的密切关系,盖娅理论就挥之不去,因为舍此还没有更好的解释。德迪夫显然对盖娅理论持赞赏态度:“生物圈不只是覆盖在地球表面的一层有生命的被膜。它与地球之间有着无数密切联系,它是一个巨大的、以太阳能为动力的表面处理器,来自地壳、海洋和大气,同时又对它们有反作用,持续不断地重塑着环境,同时也被环境所重塑。生命与地球的相互作用如此密切,以至于有人将它们结合起来,视为一种行星超生物,即由相互联系的生物和非生物部分组成了一个符合控制论关系的网络。这种观点以盖娅的名义广为流传。”德迪夫不仅介绍了盖娅理论,还为某些对拉伍洛克的误解进行澄清。