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生命不息的奧祕

文 / 許靖華    
1994-07-15
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生命不息的奧祕
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「我們身處的,是個悲劇的年代。」羅倫斯(D. H. Lawrence,1885~1930)在「查泰萊夫人的情人」一書的開頭,便發出如此哀愴的呼喚。

而我們之所以會踏進這個悲劇年代,完全是由於科學發展帶來的兩場革命所賜。

一度,人們感覺跟上帝很親近;你看,為了拯救人類,上帝甚至把自己唯一的兒子也送到俗世來犧牲掉了!似乎,人類是個很獨特的族群,我們居住的地方也與眾不同。

哥白尼(Nicolaus Copernicus,1473~1543)的一場天文革命,卻讓我們的自我尊嚴大受打擊;世間再沒有天堂、沒有地獄,地球只不過是顆行星,是億億萬萬星體中的一顆而已。

達爾文(Charles Darwin,1809~1882)則更進一步指出:我們只不過是「人」(Homo sapiens),是數以百萬計生物中的一種!

等到進入機械時代,大家的感覺是,上帝再沒有時間看顧我們,因為他有太多的星球以及太多的智慧體必須照料,哪裡還有時間理會我們呢?

上帝,是那麼地遙遠。

第三場革命

到了二十世紀末的今天,我們卻目擊第三場革命的湧現,這一次的主題是:地球終究不是那麼平凡的星體。到目前為止,我們還是沒法證明,宇宙中有另一顆像地球般的星體,我們也不是普通的動物,而是「人」!在宇宙中,不一定有跟我們同樣智慧的生命體。大家開始對機械年代發出不滿之聲,綠色和平組織於焉出現。似乎,又到了宗教復興的時候。

大家都在問:蓋婭(Gaia,希臘神話中的女神)是不是其的具有吸熱(endothermic)的能力?蓋婭是什麼?我們對地球的氣候變遷知道多少?這些數據能否幫助我們解開各項謎題?

對許多人而言,蓋婭只不過是個希臘神話、是個譬喻,但對其他人來說,蓋婭是一整套的理論。我則把蓋婭看作一種概念的簡稱:那是在大氣圈、海洋圈、岩石圈和生物圈之間運作,使得地球上生命生生不息的各種作用流程。

重要的是,在這些相互作用的過程當中,生命是不可或缺的要素。自從生命出現以後,地球才變成蓋婭。當地球出現生命危機,物種大規模滅絕時,蓋婭便生病;如果所有生命全都歸於滅寂,蓋婭也將會隨之而死亡。

至於吸熱,乃是泛指生命體調節體溫以生存下去的能力,哺乳類動物就是一個實例。那麼,如果蓋婭具備吸熱的能力,她是如何調節溫度的?

地球表面的溫度,受到三個因素的左右:(一)太陽輻射出來的能量(太陽的亮度),(二)被地球反射回太空的太陽能量之多寡(反照率效應),以及(三)由地球表面發放出來的紅外輻射當中,有多大部分被大氣層吸收掉(溫室效應)。蓋婭當然無權過問太陽的亮度,而反照率效應的影響也可說是微不足道。依目前的理論看,混雜在地球大氣圈的各種「溫室氣體」,才是調節氣候的主要因素,而在這許多氣體中,又以二氧化碳為其中佼佼者。

二氧化碳源自地球內部。專家相信,每個行星都曾經擁有由二氧化碳及水蒸氣組成的濃密大氣圈,因為一開始時行星內部的火山運動都會把氣體排到外面。隨後,行星大氣圈內二氧化碳的增減,端視其自大氣中流失的量及火山運動的多寡而定。比方說,在金星的大氣圈中,二氧化碳的增加一定大於它的流失,因為那裡充滿了二氧化碳,金星的地表溫度也因此高達攝氏五百度,生命難以立足。

平衡得恰到好處

相反地,在我們另一個鄰居--火星的大氣圈中,二氧化碳流失量一定大於添加量,最後火星表面的溫度跌到攝氏零下一百一十度以下,剩下的一丁點二氧化碳被冰封在火星兩極的小小區域之中。火星已經失去了。 如果她曾經有過的話--支持生命出現的機會。

為什麼地球會走上不同的演化之路呢?最先提出蓋婭理論的洛夫洛克(James Lovelock,l919~)說:地球之所以會發展到今天的地步,完全因為地球上出現了生命。大氣圈內的二氧化碳,提供了溫室效應,也給蓋婭提供了蔽體用的衣服。天氣寒冷時,她會添加衣服,而當轉熱時,她會拿掉一些衣服。這並不容易做到,金星跟火星都無法做到這點。在整個太陽系中,只有地球有這等能力,只有蓋婭能把身上的碳損益平衡得恰到好處。

在一個沒有生命的行星上,火山把二氧化碳吐到大氣圈內,要是下雨,二氧化 碳便被帶到地表上,造成各種侵蝕,其中的一部分二氧化碳再也不會回到大氣圈內。當它溶解之後,碳離子和地表上的鈣結合,沈澱為碳酸鈣,亦即石灰石。

在目前的地球大氣圈內,大約有五萬個單位的二氧化碳,每單位為一兆克分子(mole)的碳。從火山運動而來的進帳是一一,七單位,在陸地上由於侵蝕而流失的則有一六.七單位。如果地球上沒有生命,碳含量應該呈負成長,每年減少五個單位,那麼只要再過一萬年,日前大氣圈內的二氧化碳便全都會被用光。若是沒有溫室氣體的保護,我們全都早凍死了。

乍看之下,生命用去的比回饋的多,因為每年地球上的有機體取去三八.三的單位!然而數據顯示:過去一萬年來,碳損益表上沒有盈虧。我們因此結論,除了火山運動之外,一定還有其他的碳源。

生物死後腐爛所產生的甲烷(CH4,即沼氣)及其他氣體,會將五個單位還回大氣之中。但這還不夠,另外三十多個單位的虧損要靠海洋來賠償。

海洋從哪裡取得二氧化碳呢?當然是從陸地囉!當地球上的微生物死亡之後,只有小部分的有機碳留存在陸地上,大部分都被沖到海裡去。除此之外,經由侵蝕過程而來的碳酸,也提供了大量的碳。事實上,目前陸地中的碳存量之大,足足可以應付地球千百萬年的碳虧損。

因此,蓋婭的秘密武器,就在於她的「碳銀行」。碳銀行的作用好比一個國家的中央銀行,當市場中(大氣圈內)有太多貨幣(二氧化碳)在流通、或者出現通貨膨脹(太熱)時,銀行便減少貨幣(碳循環中的二氧化碳)的流通。另一方面,碳銀行碰到經濟衰退時,也會採取相反的步驟予以反擊。目前,我們剛經過碳衰退的階段。

在冰河期間,大氣中的二氧化碳含量只有二00ppm(part permillion,即百萬分之一)。挖掘及分析冰樣本後發現,到了全新世(Holocene,一萬年前~現在)初,含量增加為二八0ppm,而自公元一七五0年之後,更增加至三五0ppm。這顯示,由於燃燒化石燃料的關係,我們已把大量的二氧化碳釋放到大氣層中了。現在,海洋已變成一個二氧化碳的溶解槽,而不是碳源。

生命與「碳」互動

碳盈虧平衡的這一課,充分顯示出問題的複雜度,與一般的經濟問題實在不相上下,同樣有生產者、消費者、銀行,甚至有稅務官呢。值得注意的是,同一運作方式,在不同的時候卻會造成盈虧兩種截然不同的後果,因此地球的氣候變遷史實際上反映了碳循環的錯綜複雜。而蓋婭能夠通過過去四十億年的考驗,也顯示了地球的碳經濟承受得起無數次的通貨膨脹和大衰退。

我們都明白平衡收支所遇到的困難以及其中的種種技巧。金星和火星之所以無法平衡他們的碳收支,因為他們的收入和支出都太僵化了,地球之所以能做到,完全是由於生命的出現。生命消耗碳、放出碳、儲存碳;生命有調節的功能,使得蓋婭從來不用擔心她會受到傷害,甚至在碰到巨大危機時也一樣(比方說,當恐龍大規模滅絕的時候)。一直到現在,她的生命才受到人類的極大威脅。

總之,靠著「儲蓄」或「買保險」,我們才得以避免陷進破產的悲慘命運。地球如果要能平衡碳的收支,唯一的可能是靠著消耗儲蓄在陸地中的碳。可是,回到三十五億或四十億年前,當生命剛開始誕生時,陸地上並沒儲下來多少碳源。

如果當年蓋婭像火星一樣揮霍無度,現在的地球恐怕也只剩下一些冰封掉的海洋,準命也無處容身了。蓋婭一定有些什麼辦法儲存碳的。

她是如何做到的?我們在下一次繼續探討。

計靖華

一九二九年生於南京,二十五歲即取得美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)博士學位,一九六七年起任教瑞士聯邦理工大學。於地質學、海洋學等領域貢獻卓著,曾獲榮銜多項,包括美國科學院外籍院士、中國科學院名譽教授以及中央研究院院士等。近年來致力於科學普及,著有「大滅絕」及「吉海荒漠」二書。

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