活著的行星：生命改變了地球的方方面面，從大氣層到巖石層，再到地表以下的板塊構(gòu)造。
本文編譯自大衛(wèi)·格林斯彭（David Grinspoon）發(fā)表于nautil的文章，該文章也被收入他的最新著作《人類手中的地球》（Earth in Human Hands）。格林斯彭是美國行星科學(xué)研究所（Planetary Science Institute）的資深科學(xué)家，參與了多次現(xiàn)行和擬議的行星際飛船任務(wù)。2013年，他被任命為美國國會圖書館的首任天體生物學(xué)主席。他同時還是一位音樂家，為“宇宙之家樂隊(duì)”演奏吉他。
行星可以是活的嗎？20世紀(jì)后期偉大的生物學(xué)家琳·馬古利斯（Lynn Margulis，1938—2011）認(rèn)為可以。這位智識卓越的科學(xué)家是內(nèi)共生學(xué)說的主要建構(gòu)者，觀點(diǎn)常受到正統(tǒng)學(xué)界的排斥。她和英國化學(xué)家詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）合作提出了一個假說，認(rèn)為生命是一種改變行星的現(xiàn)象，地球“活著的”和“非生命”部分之間的區(qū)別并沒有我們想象的那么明確。許多科學(xué)界人士將他們的理論——稱為“蓋亞假說”（Gaia hypothesis）——視為偽科學(xué)，并質(zhì)疑他們的科學(xué)品格?，F(xiàn)在，馬古利斯和洛夫洛克或許可以得到正名了。近期的研究發(fā)現(xiàn)使我們有理由更認(rèn)真地對待這一假說。蓋亞假說的核心是對行星及其生命之間關(guān)系的洞察，新研究改變了我們對這一關(guān)系的理解，也影響著我們在其他星球上尋找生命的嘗試。
在對地球生物圈進(jìn)行整體研究時，馬古利斯和洛夫洛克意識到，地球生物圈具有生命的某些特性。它似乎會表現(xiàn)出“穩(wěn)態(tài)”，即自我調(diào)節(jié)的體內(nèi)平衡。地球的許多生命維持特征都表現(xiàn)出了令人驚嘆的穩(wěn)定性。從氣溫變化范圍、大氣氧含量到海洋的酸堿度、鹽度和化學(xué)物質(zhì)含量，所有這些都通過生物作用調(diào)節(jié)。幾億年來，所有這些特征都維持在一個使生命能夠繁盛的范圍內(nèi)。洛夫洛克和馬古利斯推測，生命整體與其環(huán)境通過某種方式相互作用，調(diào)節(jié)著這些全球性特征。他們認(rèn)為地球在某種意義上是一個活著的有機(jī)體。洛夫洛克將這個有機(jī)體稱為“蓋亞”（Gaia）。
干燥的火星。有一種可能是，火星和金星等行星由于不夠潮濕而無法維持生命。
馬古利斯和洛夫洛克的研究顯示了達(dá)爾文關(guān)于生物演化的圖景是不完整的。達(dá)爾文確定了生命因環(huán)境變化而不斷適應(yīng)的機(jī)制，使我們看到地球上所有生命是一個連續(xù)體，一個基因從共同根源擴(kuò)散、增殖的過程。在達(dá)爾文主義者看來，地球本質(zhì)上是一個具有一系列變化背景的舞臺，生命必須調(diào)整自己。然而，是什么（或者是誰）在改變布景呢？馬古利斯和洛夫洛克提出，生命戲劇并不是在一個“死”的地球舞臺上展開的，這個舞臺本身就是動態(tài)的，是一個更大的生物實(shí)體——由生物圈和在生物圈內(nèi)塑造、響應(yīng)并循環(huán)的“非生命”部分組成的蓋亞——的一部分。是的，生命會適應(yīng)環(huán)境變化，通過自然選擇塑造自己，但生命也會推動并改變環(huán)境，改變地球。這就像你現(xiàn)在呼吸的空氣一樣明顯，空氣中的氧氣正是來源于生命。因此，演化并不是對無生命事件的一系列適應(yīng)，而是一個反饋系統(tǒng)，一種交換。生命并沒有簡單地將自己局限在地球的動態(tài)變化中，相反，生命和地球在共同演化的過程中互相塑造。當(dāng)你開始以這種方式觀察這個星球時，你會看到珊瑚礁、石灰?guī)r懸崖、河口三角洲、沼澤和堆滿蝙蝠糞的海島都是一個更大生命實(shí)體的一部分。你會意識到，地球的整個表面和深處其實(shí)都是活著的。
蓋亞假說從提出至今，依然難以獲得主流科學(xué)界的接受。這涉及幾個原因，一是常見的惰性，人們在面對新的思維方式時會表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的保守和不情愿。不過，蓋亞假說也被批評模糊不清和轉(zhuǎn)換概念。一些人抱怨稱，“蓋亞論者”無法提出一個原創(chuàng)、明確且可驗(yàn)證的科學(xué)命題。我們怎么去評價、反對或擁抱一個沒有明確說明的概念呢？在不同的人眼里，這一假說似乎又有不同的含義。這么說確實(shí)也有一些道理。蓋亞假說有許多不同的闡述方式。而且，馬古利斯和洛夫洛克很愿意將科學(xué)與哲學(xué)和是個相結(jié)合，他們也不介意爭議；事實(shí)上，他們應(yīng)該很享受并歡迎爭議。
事實(shí)是，盡管蓋亞假說廣為人知，但它并不能算一個真正意義上的假說。它是一個視角，一種在一顆行星——一顆活生生的行星——上探索生命科學(xué)的方法，不同于探索一顆有生命存在的行星。這才是真正的重點(diǎn)，簡單但是深刻。因?yàn)樯⒉皇堑厍蚬δ苓\(yùn)轉(zhuǎn)中微不足道的計(jì)劃外產(chǎn)物，而是行星演化和行為中不可或缺的一部分。過去幾十年來，蓋亞論者已經(jīng)差不多贏得了這場戰(zhàn)役。當(dāng)然，反對者從未真正投降或承認(rèn)失敗，但主流地球科學(xué)界已經(jīng)放下了學(xué)術(shù)盾牌，并且與化學(xué)、氣候?qū)W、理論生物學(xué)和其他一些學(xué)科聯(lián)手，將蓋亞假說重新命名為“地球系統(tǒng)科學(xué)”。
在太空時代，地球與其他明顯毫無生機(jī)的行星之間形成鮮明對比，蓋亞假說也使人們更深刻意識到我們的星球是如何被其居民改造的。當(dāng)我們把地球的生命故事與其他行星比較的時候，可以看到，在地球非常早期的發(fā)展階段，就在不利于生命的初期降雨消退之后，生命就找到了立足點(diǎn)，地球開始走上與其他行星完全不同的道路。當(dāng)生命和地球建立起這種聯(lián)系之后，二者便開始共同演化并延續(xù)至今。
當(dāng)我們用太空時代的工具研究地球，比如從某個距離對它進(jìn)行整體觀察，或者鉆探海底深處，以及用多光譜成像等技術(shù)繪制全球元素、營養(yǎng)和能量的生物化學(xué)循環(huán)過程時，我們已經(jīng)認(rèn)識到，生命的影響要比我們原先預(yù)計(jì)的更深刻和更普遍。
我們認(rèn)為理所當(dāng)然的氧氣是生命在參與地球生物化學(xué)循環(huán)時的副產(chǎn)物：它們利用太陽能分解水分子，將氫原子保留下來，與二氧化碳反應(yīng)形成有機(jī)物，作為食物和身體組分，同時將氧氣分離出來。在地球的高層大氣，一部分氧氣在紫外線照射下轉(zhuǎn)化成臭氧。臭氧層能抵擋致命的紫外線，使地面變得適宜生命生存。臭氧層形成之后，生命才得以離開海洋，大陸才能被綠色的森林覆蓋。沒錯，正是生命讓曾經(jīng)毫無生機(jī)的陸地變得生機(jī)盎然。
當(dāng)我們越多地通過“蓋亞透鏡”觀察時，我們就越能看到地球幾乎每個方面都在生物學(xué)上被扭曲得認(rèn)不出來。地球的巖石中含有超過4000種礦物質(zhì)（構(gòu)成巖石的結(jié)晶分子），比我們在其他任何行星上觀察到的礦物質(zhì)類型都要多。研究地球礦物史的地球化學(xué)家總結(jié)稱，如果沒有生命的出現(xiàn)，這些礦物質(zhì)絕大多數(shù)都不會存在。因此，在經(jīng)過生命改造的地球表面，巖石本身也是生物的副產(chǎn)物。這一礦物質(zhì)多樣性的巨大跨越發(fā)生在生命為地球大氣層提供氧氣之后，大量新的氧化礦物質(zhì)開始形成，使地球沉積物中充滿了彩色的巖石。如果在觀察一顆遙遠(yuǎn)行星時發(fā)現(xiàn)如此廣泛和多樣的礦物質(zhì)，很可能就預(yù)示著這是一個生命星球。因此，這是一個潛在的生物印記（或者可以稱為蓋亞印記），可以添加到更常被引用的洛夫洛克標(biāo)準(zhǔn)中，用來搜尋生命導(dǎo)致大氣成分顯著失去平衡的跡象。事實(shí)上，礦物質(zhì)和生命相互影響的歷史似乎可以追溯到最開始的時候。越來越多的證據(jù)顯示，礦物質(zhì)對地球生命起源來說是重要的催化劑和物理基質(zhì)。那么，將地球的礦物質(zhì)表面視為地球生命系統(tǒng)的一部分，視為蓋亞身體的一部分，是否真的是一個巨大的飛躍？
此外，板塊構(gòu)造和地球深層內(nèi)部的動力學(xué)呢？乍看之下，板塊構(gòu)造似乎就是一個巨大的機(jī)械系統(tǒng)——一個不依賴生物學(xué)，而是為生命提供支持的“熱發(fā)動機(jī)”。而且，盡管我們可能仍然對深埋在生物圈下方的地球部分缺乏了解，但是不太可能有生物體生活在地殼以下幾公里深的地方，因?yàn)槟抢锏臏囟葘τ袡C(jī)分子而言太高了。不過，正如我們發(fā)現(xiàn)生命的影響已經(jīng)擴(kuò)展到高層大氣，創(chuàng)造了能使生物圈包圍大陸的臭氧層一樣，我們也越來越多地看到生物對這些更深層地下領(lǐng)域的影響。在漫長的生命中，蓋亞不僅改變了地球的皮膚，也改變了地球的內(nèi)臟，將地幔中的碳提取出來，堆積在沉積巖的表面，并將空氣中的大量氮?dú)庖园钡男问椒獯嬖诘蒯r石晶體中。
通過控制大氣的化學(xué)狀態(tài)，生命也改變了與其接觸的巖石，從而使地球的地殼和地幔氧化。這也改變了巖石的材料特性，即它們在各種力量和條件下如何彎曲、折斷、擠壓、折疊和熔化。地球生物圈產(chǎn)生的所有粘土礦物都會使地殼軟化，幫助“潤滑”板塊構(gòu)造發(fā)動機(jī)。地球的潮濕或許能解釋板塊構(gòu)造在地球上的持續(xù)存在，而不是在干燥的金星上。蓋亞假說陣營中還有一個更極端的觀點(diǎn)——目前還未被證實(shí)或否定——宣稱，生命的影響在漫長歷史中幫助地球保住了作為生命之源的水，而金星、火星在大部分歷史中都沒有水的存在。如果真的如此，那么生命可能真的是地球板塊構(gòu)造形成的原因。最早提出板塊構(gòu)造理論的學(xué)者之一，來自斯坦福大學(xué)的諾姆·斯利普（Norm Sleep），已經(jīng)完全相信生命與地球的整體物理動力學(xué)——包括“無生命”的內(nèi)部區(qū)域——密切相關(guān)。在描述生命對地質(zhì)學(xué)、大陸形成和板塊的長期累積影響時，他寫道，“凈效應(yīng)就是蓋亞。也就是，生命為了自己的利益改造了地球。”我們對地球的了解越多，就越能看到這一點(diǎn)。地球已經(jīng)是在生命的掌握之中，以一種不平凡的方式，它成為了一顆完全由生物調(diào)制的行星。
現(xiàn)在，在海盜號著陸火星四十多年后，我們已經(jīng)知道行星在宇宙中很普遍，包括那些大小與地球差不多，并且與母恒星距離合適、允許液態(tài)水海洋存在的行星。另一方面，洛夫洛克的激進(jìn)觀點(diǎn)——關(guān)注大氣層并尋找與預(yù)期混合氣體差異顯著的特征——已經(jīng)成為我們探測外星生命策略的基礎(chǔ)。蓋亞式的思維已經(jīng)滲透進(jìn)我們對演化和系外行星適居性的認(rèn)知中，并修訂了“適居帶”的定義。我們發(fā)現(xiàn)，通過一顆行星的基本物理性質(zhì)（如體積和與恒星的距離等）并不足以確定其適居性。生命本身一旦開始，就可以使一顆行星變得宜居并保持下去?；蛟S在某些情況下，生命還能摧毀一顆行星的適居性，正如21億年前大氧化事件（Great Oxygenation Event）期間地球所經(jīng)歷的一樣。加拿大維多利亞大學(xué)的年輕氣候模型學(xué)者科林·戈德布拉特（Colin Goldblatt）說：“地球的決定性特征是行星規(guī)模的生命。地球教育我們，適居性和居民是無法分離的?！?/p>
美國天體生物學(xué)家大衛(wèi)·格林斯彭（David Grinspoon）在出版于2003年的《孤獨(dú)行星》（Lonely Planets）一書中，描述了所謂的“活體世界假說”（Living Worlds hypothesis），即蓋亞思維在天體生物學(xué)上的應(yīng)用?；蛟S所有地方的生命本質(zhì)上都是一種行星規(guī)模的現(xiàn)象，具有宇宙尺度的生命長度——以數(shù)十億年計(jì)的預(yù)期壽命，可以用來定義行星、恒星和宇宙壽命的時間尺度。
有機(jī)體和生物物種都沒有宇宙尺度的生命跨度，蓋亞有，而這可能是有生命行星的普遍屬性。格林斯彭受洛夫洛克和馬古利斯的影響很大，他認(rèn)為我們不大可能在一顆大氣層沒有被顯著改變的行星表面找到生命。根據(jù)這一觀點(diǎn)，行星無法“茍延殘喘”很長時間，而像火星這樣的老年星球，如果沒能像地球這樣生機(jī)盎然的話，很可能早已經(jīng)完全死掉了。如果好奇號火星探測器最近報告的甲烷氣體最終被證明是火星生命的證據(jù)，那就將證明格林斯彭的“活體行星假說”是錯的，生命可以在其他地方以非常“非蓋亞”的形式存在著。但是，如果火星是一顆有生命的行星，可能要求的就不止是短暫存在的水洼和地下能源。它可能還需要內(nèi)在驅(qū)動的、持續(xù)而有力的地質(zhì)活動。格林斯彭認(rèn)為，一顆行星只有在地質(zhì)學(xué)意義上是“活著”的，才可能在生物學(xué)意義上是“活著”的。沒有板塊構(gòu)造活動，沒有深厚、強(qiáng)大的地球化學(xué)循環(huán)——生命以此為生并參與其中——生命就可能永遠(yuǎn)無法像在地球上一樣，使自己成為火星上的永久特征。
據(jù)我們所知，在地球生命開始的時候，金星和火星也同樣具有能使生命在那里開始的特征：它們都很潮濕，都是巖石行星，都有濃密的大氣層和強(qiáng)烈的地質(zhì)活動。比較行星學(xué)似乎在告訴我們，生命起源所需的條件可能是巖石行星的常態(tài)。有一種可能是，火星和金星也誕生了生命，但這些生命無法延續(xù)下來。它們不能像地球生命那樣，在金星和火星上站穩(wěn)腳跟并成為永久的行星特征。這可能是一個普遍的結(jié)局：誕生了生命的行星可能有好多個，但不是所有行星都能發(fā)展出強(qiáng)大且自我維持的全球性生物圈。地球真正罕見且不尋常的一點(diǎn)在于，有利于生命的條件持續(xù)了數(shù)十億年。這可能不僅僅是運(yùn)氣。
當(dāng)我們不再將行星視為生命可能存在或不存在的物體或場所，而是將它們視為生命體或非生命實(shí)體時，我們對生命起源就會有全新的思考?；蛟S生命不是發(fā)生在行星表面的事物，而是行星本身發(fā)生的變化：它是行星要變成的事物。
我們可以將生命想象成一團(tuán)火。如果你嘗試過生篝火，你就知道打出火花并燃起火苗很容易，但保持火焰持續(xù)燃燒卻很難。一開始你必須靠近篝火，使勁吹氣直到你快要頭暈，否則火焰就會因氧氣不足而熄滅。在篝火真正著起來之前使其保持燃燒一直是最棘手的部分。接著，到達(dá)某個臨界點(diǎn)之后，火焰便開始在一堆燃料上咆哮，它的熱量開啟了自己的循環(huán)模式，吸入氧氣，持續(xù)燃燒。此時篝火已經(jīng)是一個自我維持的系統(tǒng)，你可以拿起啤酒，盡情觀賞流星了。
行星上最初的生命是否就像一開始的火花和不穩(wěn)定的火苗？生命的最初階段可能極其脆弱，可能到了某個節(jié)點(diǎn)，一旦生命成為一種行星尺度上的現(xiàn)象，融入能為其提供支持和養(yǎng)料的全球流動中，它就能反過來自給自足，變得更像一團(tuán)自我維持的篝火，不僅能保證吸入足夠的空氣，也可以自己補(bǔ)充燃料。一個成熟的生物圈應(yīng)該能為生命的持續(xù)和蓬勃發(fā)展創(chuàng)造條件。
“活體世界”的觀點(diǎn)意味著，經(jīng)過數(shù)十億年的演變，生命或者從行星上消失，或者就像在地球上一樣，完全接管行星并成為整個全球過程中不可或缺的一部分。生命的跡象將無處不在。一旦生命掌握了一顆行星，一旦它成為一個行星尺度的實(shí)體（或許可以稱為全球有機(jī)體），它就很難被殺死。當(dāng)然，生命已經(jīng)見證了地球上許多巨大的改變，有些是災(zāi)難性的。地球生命的強(qiáng)韌和持久令人驚嘆，它似乎是不朽的?；蛟S應(yīng)該說是“準(zhǔn)不朽”，因?yàn)樾行遣豢赡苡肋h(yuǎn)存在，在整個生命周期中可能也不是一直適合生存。個體的存在只是一瞬間。整個物種從出現(xiàn)到滅絕，在時間尺度上往往也不足以引起行星的注意。然而，生命作為整體一直延續(xù)著。這為我們提供了一種思考自身的不同方式?？茖W(xué)革命揭示出，我們作為個體是非常渺小和短暫的，而我們整體的存在——不是作為個體，而是作為一個物種——在宇宙演化的更大時間背景下也是短暫和脆弱的。然而，如果我們選擇融入生物圈，那我們，也就是蓋亞，就已經(jīng)存在了相當(dāng)長時間：在這個大約130億年歷史的宇宙中，我們存在了約30億年。我們在所有時間中活了四分之一，這挺了不起的。
地球上的生命起源不僅僅是物種演化的開始，也是最終導(dǎo)致藻類爆發(fā)、白楊林、大堡礁、海象群和大猩猩群等多樣性的源泉。從行星演化的角度來看，生命起源是一個重要的分支點(diǎn)，為通向一個完全不同的未來打開了一條通道。然后，當(dāng)生命逐漸遍布全世界，并向地球深處發(fā)展時，地球就走上了一條不可逆轉(zhuǎn)的、與其他兄弟行星都不一樣的道路。
就在最近，在這個被生物改變了的地球上，另一種改變突然出現(xiàn)并重寫了行星演化的規(guī)則。在地球的暗面，可以看到不斷亮起的燈光。新的通道是否正在開啟？地球是否處于一個新的分支點(diǎn)？
從天空中觀看地球，可以發(fā)現(xiàn)我們的工業(yè)化社會已經(jīng)使地球發(fā)生了迅速而深刻的改變。軌道技術(shù)使這種觀察成為可能，同時這種技術(shù)本身也是地球所處的這場轉(zhuǎn)變中最奇特和驚人的方面之一。如果到目前為止，定義地球的特征是行星規(guī)模的生命，那么這些行星規(guī)模的燈光呢？這張展開的明亮燈光網(wǎng)能成為重新定義地球的特征嗎？
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