我1988年，詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）在美国地球物理联合会（American Geophysical Union）赞助的一次会议上首次与他会面，该会议讨论了他备受争议的盖亚假说（Gaia Hypothesis）。提醒你，盖亚是希腊神话中的女神，她是地球母亲的化身。盖亚假说认为，生命或盖亚在维持地球的宜居性方面发挥着关键作用，包括其富氧大气、海洋盐度以及相对稳定的气候。在20世纪60年代末，Lovelock假设特定的控制机制需要反馈回路来确保稳定性。事实上，洛夫洛克最初称他的理论为“地球反馈假说”，但后来根据小说家威廉·戈尔丁（William Golding）的建议，将其改为更具神话色彩的名称。威廉·戈尔汀恰好住在同一个英国小镇。
当时我是一名年轻的科学家，我对地球的反馈机制有不同的看法。吉姆和大多数优秀的科学家一样，毫无怨恨地接受了我的批评，但我们显然在这个问题上持不同的立场。盖亚假说对环境运动产生了强大的影响，它鼓励人们从整体上看待地球，认为地球是一种保护我们并值得我们保护的超级有机体。然而，我不得不同意科学家福特·杜立德、理查德·道金斯和斯蒂芬·杰伊·古尔德的观点，即行星或行星生态系统不能像单个生物体那样进化，也不太可能以稳定地球系统的方式发展。随着吉姆著名的假设接近50周年，它具有持久的价值。但要了解地球的长期气候稳定性，我们需要超越盖亚。
现在，我说地球的气候“相对”稳定。从这个限定词开始很重要，因为包括我在内的许多地球科学家都认为，在地球历史上，海洋可能已经完全冻结了至少三次。这些所谓的“雪球地球”事件被认为发生在6亿至8亿年前的晚元古代，也发生在23亿年前早元古代。然而，生命经历了这些事件，有充分证据表明，自至少35亿年前以来，地球表面一直存在生命。地球本身已有45亿多岁，是在太阳形成后不久形成的。
为什么地球这么长时间以来都有人居住？1972年，天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）与洛夫洛克（Lovelock）共同撰写了一篇关于这一现象的论文，他们共同感兴趣的是，人们认为太阳在这段时间间隔内光度显著增加。准确地说，45亿年前，太阳暗了大约30%，自那时以来，它或多或少呈线性变亮。在所有其他条件相同的情况下，这意味着地球表面在大约20亿年前应该已经完全冻结。但事实并非如此——雪球地球的冰川作用很短暂，两次记录最好的事件发生在稍晚的时候。尽管早期地球的地质记录相当不稳定，但在地球历史上的前半段，气候似乎比今天还要暖和。
洛夫洛克毫无怨恨地接受了我的批评，但我们显然在这个问题上持不同观点。
要使地球长期适合人类居住，就需要各种反馈机制的运作。具体来说，人们需要负反馈来对抗微弱的年轻太阳引起的气候降温。地球的气候系统包括许多反馈过程，有些是负面的，有些是正面的。最容易理解的两种气候反馈是涉及水蒸气和冰反照率的反馈。（“反照率”一词的意思就是反射率。）水蒸气是一种温室气体，有助于地球表面变暖。它在大气中的浓度随着地表温度的升高而增加；因此，较高的表面温度会导致更多的水蒸气，这反过来又会导致温度升高，这是一个正反馈回路。相反，地表温度越低，水蒸气越少，温度越低。因此，水汽反馈使微弱的年轻太阳问题变得更糟，而不是更好。冰反照率反馈也是如此：较低的温度会产生更多的雪和冰，这些雪和冰会反射更多的太阳光线，从而导致温度更低。
地球的气候系统也必须包含负反馈回路。如果不这样做，这个系统将永远不稳定。最基本的负反馈回路是表面温度和发出的红外辐射之间的联系。随着地球表面的升温，它会发出更多的红外辐射。但红外能量的发射会冷却表面，所以这是一个负反馈。这种反馈非常基本，经常被忽视。但这正是我们每天或每年保持气候稳定的原因。
然而，红外辐射-表面温度反馈回路不足以在长时间尺度上稳定地球气候，因为该系统受到太阳光度或亮度的长期变化的影响，而正反馈回路会放大这种变化。我们需要一个长期稳定气候的负反馈回路。
洛夫洛克早在20世纪60年代就意识到了这一点，这也催生了他的盖亚假说。他知道CO2和H2O是当今地球大气中的主要温室气体。他还意识到，由于全球碳循环的不平衡，大气二氧化碳水平可能会随时间而变化。
Lovelock专注于有机碳循环，在有机碳循环中，植物和藻类通过光合作用利用CO2和H2O创造有机物（CH2O）和氧气（O2）。这一过程通过动物和植物进行的呼吸过程和细菌进行的有氧腐烂过程被逆转。考虑到这一循环，洛夫洛克假设地球早期大气中的CO2水平要高得多，这产生了额外的温室效应，有助于抵消微弱的年轻太阳。然后，随着时间的推移，太阳逐渐变亮，植物和藻类以适当的速率从大气中吸收二氧化碳，以抵消阳光的照射。这就是盖亚。随着时间的推移，地球生物群调节着大气中的二氧化碳含量，从而稳定了气候并确保了其自身的持续存在。
一随着其影响力的扩大，洛夫洛克的假设受到了批评。生物群如何知道减少CO的速度2? 这难道不需要对问题进行明智的洞察吗？而且，最能说明问题的是，自然选择过程如何作用于不同生物体的集合？
一些生物学家将盖亚假说描述为目的论，或将人类特征赋予无生命物体。洛夫洛克试图用一个寓言来反驳这一批评，这个寓言是关于一个他命名为“雏菊世界”的虚构行星的，由于雏菊生长曲线的性质，它的表面温度保持稳定，而雏菊生长在一定的温度下达到最佳状态。（洛夫洛克在英国乡下拥有一处庄园，长期以来一直为自己能够在农场种植雏菊和其他本土植物而感到骄傲。）他至少在一定程度上是对的：如果一个星球的气候完全取决于黑色或白色雏菊提供的反照率反馈，那么肯定可以稳定这个星球的气候。事实上，我在宾夕法尼亚州立大学（Penn State）教的地球科学入门课中，我们使用Daisyworld作为教学工具。然而，这并不一定意味着生物群稳定了地球的气候，而地球的气候更依赖于各种温室气体的浓度，而不是表面反照率。
事实上，控制大气CO的碳循环2随着时间的推移，浓度有几个部分。洛夫洛克强调有机碳循环，但忽略了无机碳循环或碳酸盐-硅酸盐循环。大多数地球科学家认为无机碳循环在控制大气CO中更为重要2长期来看，因为有机碳循环控制大气中的氧，并且部分受大气中氧的控制。
随着其影响的扩大，这一假设受到了批评。生物群如何知道减少二氧化碳的速度？
以下是无机碳循环的工作原理。当大气CO时开始2溶于雨水，生成碳酸，H2一氧化碳三.碳酸是一种弱酸，我们在碳酸盐岩中消耗它，但它的强度足以在一种称为风化的过程中溶解大陆上的硅酸盐岩石。硅酸盐风化的副产物聚集在溪流和河流中，并被带到海洋中，在那里，它们被某些藻类用来制造碳酸钙外壳，这一过程被称为碳酸盐沉淀。当生物体死亡时，它们会掉入深海。大多数贝壳会重新溶解，但其中一些会埋在海底沉积物中。由于板块构造，海底不断移动，在某些板块边界，海底被俯冲（携带到地幔中），碳酸盐沉积物被加热，气态CO2在称为碳酸盐变质的过程中释放。本CO2然后被火山喷发回大气层，如圣海伦斯山或皮纳图博山。
与盖亚假说中的气候控制机制一样，碳酸盐-硅酸盐循环也包含一个负反馈回路。硅酸盐风化过程与温度有关：温度越高，风化速度越快，因此CO去除速度越快2从大气中。这个过程是缓慢的，所以在短期内它不会帮助我们应对全球变暖，因为人类正在增加大气中的CO2比硅酸盐风化更快地清除它。但它可以在地质时间尺度上极大地帮助气候稳定。
如果在遥远的过去，由于太阳光度降低，地表温度较低，那么风化作用应该会减慢，火山喷发的CO2应该在大气中积累。这一过程发生的证据是由位于晚元古代冰川沉积物顶部的所谓盖层碳酸盐提供的。这些被认为代表CO2在《雪球地球》的剧集中，大气中形成了这种物质。高大气CO2在地球历史的早期，浓度会进一步增加，因为年轻的地球内部温度更高，因此本应更具火山活动性。所以有充分的理由相信CO2如果没有生物群的明确帮助，这些水平可能会上升到足以抵消微弱的年轻太阳，并防止早期地球结冰。
啊，但我似乎自相矛盾，不是吗？今天，大多数碳酸盐沉淀是由生物群进行的，特别是由钙质藻类，它们的外壳是由碳酸钙构成的。因此，生命不仅参与有机碳循环，也参与无机碳循环。事实证明，这种特殊形式的参与并不重要。钙质藻类大约在2亿年前才进化，因此在此之前，碳酸盐沉淀是通过其他机制发生的。细节并不重要，因为控制CO去除率的因素2来自大气的是风化过程本身。但生物群也在循环的这一部分发挥作用：陆地植物吸收CO2通过根系呼吸在土壤中富集，释放腐殖酸，进一步加速风化，减少大气中的CO2我们对这种影响有多大争论不休，但如果没有生命，今天的气候几乎肯定会变暖。因此，盖亚理论至少在一定程度上是正确的。但这并不一定意味着，如果没有生命，地球将不适合居住。它只是说，一个无人居住的地球会有所不同，也许会稍微暖和一些，但仍然可以居住。
虽然洛夫洛克仍然相信盖亚，但他认为盖亚不会把我们从愚蠢中拯救出来。
这个故事还有一个问题，我将简单地提及。1甲烷，CH4在大气氧含量上升之前，可能在遥远的过去更为丰富2大约24亿年前。甲烷是一种温室气体，它本可以使气温再升高10-12摄氏度。你需要大约30度的温度来解决微弱的年轻太阳问题，所以甲烷可能提供了大约三分之一的解决方案。甲烷也几乎完全由生物特异性产生，即产甲烷细菌或简称产甲烷菌。这个系统中也有反馈回路：过多的甲烷会导致其聚合（形成长链），并产生有机烟雾，就像我们在土星的卫星泰坦上看到的烟雾一样，这会通过产生反温室效应来冷却表面。这将杀死许多产甲烷菌，减缓甲烷的生成，减少有机烟雾的数量。因此，气候控制循环的这一部分相当于盖安，尽管洛夫洛克或他的追随者没有强调这一点。
事实上，很可能盖亚在O的崛起之前更为活跃2比她最近的表现要好。原因是甲烷在地球历史的上半部分是一种极其重要的温室气体，而下半部分的气候主要由一氧化碳控制2和H2O.我应该注意到，甲烷仍然是一种重要的温室气体，造成了今天1-2摄氏度的变暖，其浓度也随着一氧化碳的增加而增加2人类活动的结果，特别是天然气泄漏和农业。因此，如果人类被认为是盖亚的一部分，那么盖亚目前正在破坏地球气候的稳定。洛夫洛克在他后来的书中也得出了同样的结论。
在我遇见洛夫洛克的会议几年后，我又参加了另一个关于盖亚假说的会议。这场比赛由吉姆亲自组织，在英国牛津大学举行。这是一个为期三天的会议，我在第一天发表了演讲。我主要讨论了碳酸盐-硅酸盐循环，给出了我在上面概述的论点，即盖亚没有必要解释地球的气候稳定性。但这是我在会议上说的最后一句话。演讲后的那个晚上，我得了喉炎，在接下来的两天里，我简直说不出一句话来。我记得当时感到很沮丧，但随着岁月的流逝，我开始认为我不会说话可能是一种伪装的祝福。
因为，尽管我们在科学上存在分歧，但我一直很钦佩吉姆·洛夫洛克。他过去是，现在仍然是一位真正的新思想家，他在演讲和书籍中雄辩地提出了自己的想法。我特别喜欢他把地球比作一棵巨大的红杉2：99%的红木都死了，只有薄薄的外层树皮是活的，但树本身肯定是活的。同样，地球大部分是无生命的岩石，但其表面的薄层——生物圈——是有生命的，或者至少充满了生命。难道我们不认为这个星球本身是活着的吗？这是一个深思熟虑的类比，也是一个很好的例子，说明了为什么盖亚假说吸引了忠实的追随者，以及为什么吉姆一直是世界各地环保主义的灵感来源。虽然他仍然相信盖亚，但他认为她不会把我们从愚蠢中拯救出来。如果盖亚推动我们更好地理解我们是如何改变地球目前的气候的，那么这确实将是一个非常重要的假设。
詹姆斯·卡斯廷是宾夕法尼亚州立大学的行星科学家/地球科学家。他的工作重点是地球大气层和气候的长期演变，以及在其他恒星周围的行星上发现生命的可能性。
工具书类
1.更多细节，请参阅我的书，如何找到一个适合居住的星球普林斯顿大学出版社（2009）。
2.洛夫洛克，J。盖亚时代诺顿（1988）。
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