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。
