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有生物的星球不變壞

文 / 許靖華    
1994-08-15
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有生物的星球不變壞
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地球上生命不息的奧秘,在於她的碳循環以及巧妙的收支平衡系統。而關於這個系統的機制,目前有兩種說法。

提出「蓋姬」(Gaia,一位希臘女神的名字)這個概念的洛夫洛克(James Lovelock,l919~)說,地球的生物圈,是使大氣圈內溫度適中的原因;而同時,氣候適中又成為生物得以繁衍下去的原因。根據他的理論,生命在碳循環中扮演著十分關鍵的角色。

洛夫洛克假設,從大氣圈流失的二氧化碳,可以靠著火山活動噴發出來的氣體,加上甲烷(CH4,即沼氣)及一氧化碳在氧化之後而產生的二氧化碳來補充。用另一種說法,蓋婭會從海底挖出一部分的碳化物,以平衡耗用在製造生命上的碳。在實際的碳循環當中,部分製造出來的生命最後又變成化石,以有機碳的形式儲存在陸地中。

蓋姬的競爭者:特提斯

另一方面,有機物質的氧化以及在陸地上的無機碳經分解後,成為二氧化碳,回歸海洋,小部分藏在海底的沈積岩內,大部分則又被釋回大氣層之中。

不過蓋婭理論有一個競爭者。這個說法主張,碳儲備的變動,很可能跟遠古時地球的地理環境有關。地質學家研究後發現,大約在三千萬年前,現今歐洲及非洲之間有一個取名為「特提斯」(Tethys,另一個希臘女神的名字)的古海,那時候的碳儲備與今天的情況頗有分別。我將這個說法稱為「特提斯理論」。

根據這個理論,從海洋弄走的二氧化碳與生產有機物所耗掉的量相互平衡。至於是虧是盈,端視火山爆發多寡或陸地侵蝕情況而定,而這兩種過程都跟特提斯海的生死相關。

一般說來,生物學家傾向支持蓋婭,而地質化學家則較喜歡特提斯。

但無論如何,我們都不能忽略大氣圈內的二氧化碳,因為只要它在大氣圈中出現盈或虧的趨向,即使起初量仍很細微,但很快地它就會成倍數成長或減少。例如,從蓋婭的觀點來看,如果鈣質浮游生物的沈積每年減少一%,大氣中的二氧化碳在五十萬年內就會加倍。而當我們採取特提斯觀點時,如果火山活動每年多吐出一%的碳,也會形成同樣的結果。

到底哪一種才是正確的理論?似乎有兩種解決問題的方法:有些數學家會嘗試用數學模型來揭開謎底。我是個地質學家,因此我一直都在研究地球上的生命誌,看看生物對地球氣候變遷的影響若何。有沒有什麼具有「保暖」作用的生物讓蓋婭溫暖?有沒有哪些「空調器」使蓋婭清涼愜意?這些自動調溫器在哪裡?

生物體利用碳來製造細胞組織,而事實上碳有好幾種,稱為碳的「同位素」(carbon-isotope)。透過碳同位素分析,我們可辨認出碳的各種吸收過程。穩定的碳同位素有兩種:碳十二以及碳十三,為了種種原因,生物體並不歡迎碳十三,因此細胞內兩種碳的含量比例差異甚大。所以,只要分析動物化石中的碳成分,我們就知道某種吸收過程在地球史上是否「流行」過,而據此知道過去的氣候變遷。

蓋婭有如中央空調系統

地質化學家因此發現,蓋姬好像具備了中央空調系統般,冷熱輪流出現,使得地球一直都適於生活。於是問題變成:這種永續的空調設備是從什麼時候開始的?最早出現的生命型態如何?古生物學家認為,地球上最早出現的生物是「嫌氧醱酵」(anaerobic fermenter),例如在西澳洲岩層中找到活於三十五億年前的一種。正是這些微生物,使地球逃離了步上金星後塵的命運。

於是我們找到蓋婭的冷氣設備了。但她的保溫器呢?大家會問,她是如何躲過火星的命運?事實上,地球是極有可能跟火星碰上同一待遇,成為一顆冰冷的行星的,因為天文學家發現,在太陽系形成之初,太陽的亮度只有今天的七五%左右。要在三十億年前的那種情況之下不讓地表凍僵,當時的大氣圈中二氧化碳的濃度必須是目前的八十到六百倍之間。那時候地球有那麼多的二氧化碳嗎?

同位素研究顯示,在二十五到二十八億年前的期間,完全嫌氧,並能產生甲烷的「甲烷桿菌」橫行於世。這些生物從大氣吸收了二氧化碳,放出甲烷,而甲烷是比二氧化碳更有保溫作用的溫室氣體。因此,當蓋婭需要衣服蔽體時,甲烷桿菌從碳銀行提出一些二氧化碳,還回去厲害數倍的甲烷,造成「通貨膨脹」,名副其實地給蓋婭雪中送碳。

可是慢慢的,當太陽亮度逐漸升高時,蓋婭必須把她的厚厚冬衣脫掉,空氣中的二氧化碳要銳減百倍才成。她是如何做到的?在什麼時候做到的?

生物、星球互依存

古生物學家告訴我們,大約在二十五億年前,地球環境出現巨大變動。早期的嫌氧生物,在有氧的大氣圈中再也活不下去。新出現的「原始氰菌」(proto-cyanobacteria)才有辦法容忍氧氣,牠們能夠利用光來分解水,製造氧氣,牠們更能抵抗紫外輻射。在海底或湖底大量繁殖。這些轉變使得其他呼吸氧氣的生物得以一起演化,其中包括了許多高級生物。同時,臭氧(O3,ozone)層的出現,也容許沒有抵抗紫外線能力的生命體出現,占進了原本沒有生物的角落。

這些生物的出現,使得碳慢慢累積,埋在地底。原始細菌變成現今稱為疊層石(Stromatolite)的化石。最早的疊層石出現在三十億年前,但直到二十億年前左右,它們才大量出現,遍及全球。將氰菌轉化成疊層石,是一種把二氧化碳從大氣中去除的方法,而且效率甚高。整個過程記錄在碳同位素的量演變裡,十分有趣。

根據碳十三的含量分析,在原生代(Proterozoic Era)的二十億年期間,生物體內的碳十三含量都維持不變,可是慢慢的碳十三和碳十二的含量比逐漸改變。前面提到過,生物體較不喜歡採用碳十三,而較喜歡碳十二。如果空氣中各種碳都供應充足,生物都會選擇碳十二。可是如果大氣中二氧碳化減少,生物體的選擇相應地減少,牠們便飢不擇食,連碳十三也「吃」了。化石紀錄正顯示造樣的結果。

換句話說,當太陽亮度漸次加強後,地球卻沒有像金星般變得灼熱,全然只因為二氧化碳被封結在化石之中。

因此,地球之所以適合生物居住,完全只因為地球上有生物。生命和蓋婭是互依互存的。金星之所以會變得太熱,因為上面沒有生命幫忙降溫。火星之以會變得過冷,也是因為缺乏生命 至少如果她曾經有過生命,那些生物一定不是種有效率的保暖器。

什麼樣的生物,就決定了會有什麼樣的星球!

許靖華

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「古海荒漠」二書。