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地球——我们了解多少

发布时间:2011-04-26 08:17 |  来源:人民网 |  浏览次数:2134

 

 

    现在的地球处在非常特殊、非常罕见的状态下

 

    深海研究的结果发现今天地球上有两类生物群、两种食物链

 

    深部生物圈向人类提供现在完全不了解的基因库

 

    人们习惯于把今天的地球状态认为是标准的,其实错了,地球系统有很多不同的状态,而现在的地球恰恰处在非常特殊、非常罕见的状态下。前面说过,大约2万年前地球经历了一场大冰期,直到今天许多地貌的特征还没有恢复过来,还是处在“劫后余生”的状态,如果放眼整个地球历史,就更可以看出今天的特征来。

 

    两极有冰———地球状态不一般

 

    在整个地球历史上,大部分时间是两极都没有冰盖,叫做“暖室期”;只是少部分时间有冰盖,属“冰室期”,但通常只在一个极有冰。像今天这样南极有冰北极也是冰,这种情况十分罕见,在地质历史上占的比例连1%都不到,也就是说我们是生活在一个非常特殊的条件下。大约在一万万年前,那时恐龙还没有绝迹,由于地幔物质的大量往上涌,使大气中的二氧化碳至少是现在的3倍,高纬度的温度比现在高15℃左右,属于典型的暖室期,两极都没有冰盖。距今大约五六千万年起,地球逐渐变冷,这是根据深海海底栖有孔虫壳体中的氧同位素比值测出来的,表明深海海底和高纬度区海面的水温下降了大约15℃。为什么地球会变冷?有两种假说,一种认为是洋流变化引起的,一种认为是高原隆升造成的。我们不妨来看看这两种说法。

 

    1975年英、美的科学家提出:6500万年前南美洲和澳大利亚的板块都与南极洲相连,该区的洋流是径向循环,能将低纬区的热量输送到南极洲,南极洲气候并不冷;后来板块漂移,南美洲、澳洲离去,而使南极洲周围形成“环南极洋流”,造成南极洲的热隔离,越来越冷,终于出现冰盖,使地球进入“冰室期”。

 

    80年代提出的另一种假说,认为当今地球上的主要高原都是6000万年以来隆升形成的,包括南、北美洲西部、非洲东部和我国的青藏高原,其中尤以青藏高原最为重要。高原隆升可以改变大气环流,而更重要的是前面所说的增强风化作用,消耗大气中的CO2,减少温室气体,造成全球变冷。大气CO2含量降低的说法已经有独立的证据支持,现在的问题是高原隆升与洋流变化两者各起多大作用尚待查明。

 

    地球上这种“暖室期”与“冰室期”的交替旋回,曾经出现多次,但每次进了“冰室期”还会回到“暖室期”;进了“暖室期”也还会回到“冰室期”,不至于失控。而这种周期性交替现象在太阳系里只见于地球,邻近的金星、火星都没有这种能力。现在地球表层温度是15℃,有液体水,是迄今所知唯一的蓝色星球。而火星表面-60℃,已处在极端的“冰室”条件下;金星表面+460℃,属于极端的“暖室”状态。现在金星的大气压是地球的90倍,其中98%是CO 2,金星CO2是地球的26万倍,而且还有25公里厚由硫酸形成的云层,是一种“温室效应”失控的环境。只有地球能自我控制、自我调节,简直像是一个超级的生物,所以70年代英国就有人提出“盖娅”(希腊神话里的地球神)假说,主张研究“地球生理学”。其实从地球系统科学的角度看,这只不过是圈层间的协同演化,并非只有把地球神话才能解释的。

 

    黑烟囱———深海热液活动的证据

 

    但是,地球演化的早期温室气体也曾非常多,38亿年前生命起源时地球的大气圈还是还原性的、以CO2为主的;虽然20亿年前O2含量可能已经开始增加,而今天这种O2远多于CO2的氧化大气圈,是3亿多年前陆生植物发育、改造大气成分后方才形成的。关于这种地球演化早期时生物圈的面貌,又靠深海研究提供了线索。深海调查发现在2500米深的洋中脊海底,有冒出“黑烟”的高达10米的“黑烟囱”,这就是所谓的“深海热液活动”。海水沿着洋中脊海底的裂隙下渗,到四五千米深处与熔岩接触,升温到三四百度后,比重由10降到07,因质轻而上升;而且由于充满了细颗粒的金属硫化物而呈黑色,使上升的热液呈黑烟状。硫化物在海水里结晶出来形成烟囱状,这些黑烟囱迅速生长,也很快倒下,形成一片金属硫物矿床。这是今天正在形成着的活金属矿床,对成矿理论研究具有重要的科学价值,同时也是深海海底的又一资源,美国、德国等都在取样研究。现在已知的深海热液活动区分布广泛,东海冲绳槽就有多处发现。

 

    深海热液区更加有趣的是热液生物群。1977年美国“阿尔文号”深潜器在加拉帕戈斯海沟发现在黑烟囱区分布着独特的深海动物群,引起了轰动。热液区生物的密度比周围高1万—10万倍,可以比作深海沙漠中的绿洲,其中最有趣的就是3米长的蠕虫管子,这些蠕虫既没有口也没有消化器官,全靠硫细菌提供营养。在这两千多米的深海海底根本没有阳光,不可能进行光合作用,而且温度高、压力大,硫细菌从热液中取得地热的能量,支持着这种特殊的热液动物群,除蠕虫外还有瓣鳃类、螃蟹等。而且热液动物的新陈代谢特别快,远远高于靠阳光生长的生物群。这样,深海研究的结果发现今天地球上有两类生物群、两种食物链:一类是我们习惯地靠外源能量即太阳能支持的,在常温和有光的环境下靠光合作用产生有机质,CO2H2O→〔CH2O〕+O2;另一类则是靠地球内源能量即地热支持,在高温和黑暗的环境下靠化合作用维持,CO2H2OH2SO2 →〔CH 2O〕+H2SO4

 

    这两类生物群的能量来源和合成有机质的机理完全不同,在地质历史上的地位也大不相同。在地球演化的早期,大气属于还原性,不可能有靠光合作用的生物群,相当于现在热源生物群。依靠地球内热的生物是当时地球上唯一的生命。

 

    这类生物中,最重要的是细菌。取上来的黑烟囱表面,用电子显微镜观察,可以看到密密麻麻的细菌。这些细菌不仅分布在热液区,也发现于深海海底下面的地层深处,被称为“深部生物圈”。1993年在北海海底以下3000米、在阿拉斯加海底的石油钻井中,都发现有热液细菌,从岩芯中不受污染的中央部分,见有热液细菌在温度100℃下生活。大洋钻探在太平洋五个航次中发现深部地层中有细菌分布,如日本海在水深900米的海底以下518米处每平方厘米沉积中含有11×103枚细菌。按此推算,如洋底以下500米以内的地层中平均含有微生物量为15吨/公顷,则全球洋底以下的深部生物圈生物量相当于地球表层生物圈的110,占据全球微生物总量的23。深部生物圈处于极端特殊的条件下,高温、高压而且生存空间极小,新陈代谢极端缓慢,实际上处于休眠状态,但已经活了几十万年。他们在生物技术上的价值不可估量,将向人类提供现在完全不了解的基因库;而且在生物学理论上有极大意义。最近在火山爆发区也发现有此类细菌,很可能与我们寻找的外星上生物有共同点。

 

    总之,地球上氧化型大气圈的形成只是近3亿多年的事;而其后的冰室期/暖室期旋回交替,冰室期又只占小部分时间;冰室期中冰期的时间长度远大于间冰期。可见,今天的地球系统是处在一种异常的条件下,“将今论古”常常导致错误,而简单地以现在推测未来也未必正确。只有了解地球系统变化的机理,才有可能为气候环境的未来进行推测。

 

 

       

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