地球的多种状态：现处于非常状态

人们习惯于把现在地球上的现象认为是标准，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于非常特殊、非常罕见的状态。前面说过，大约两万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，还处在“劫后余生”的状态；如果放眼整个地球史，就可以看出今天的特殊性。

在整个地球史中，大部分时间两极都没有冰盖，称为“暖室期”；只有少部分时间有冰盖，属“冰室期”^[24]，通常只在一个极有冰，而像今天这样南极和北极都有冰，这种情况是绝无仅有的，在地质史上所占的比例不到1%（如图7A所示），也就是说我们是生活在一个非常特殊的时期。大约在一亿年前，那时恐龙还没有灭绝，由于地幔物质的大量往上涌，使大气中二氧化碳含量是现在的三倍，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。距今五六千万年起地球逐渐变冷，这是根据深海海底底栖有孔虫壳体中的氧同位素比值测出来的（如图7B所示），表明深海海底和高纬度区海面的水温下降了大约15℃。^[25]为什么地球表面会变冷？有两种假说，一种认为是洋流变化引起的，另一种认为是高原隆升造成的，我们不妨看看这两种说法。

图7　地球历史上的冰盖

A.暖室期与冰室期；B.冰盖的形成：新生代6 000多万年来全球变冷，深海底栖有孔虫氧同位素比值变大，冰盖增大，温度下降

1975年英、美科学家提出：“6 500年前南美洲和澳大利亚的板块都与南极洲相联，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（如图8A所示）；后来板块漂移，南美洲、澳洲移走，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（如图8B所示），使地球进入“冰室期”。^[26] 20世纪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6 000万年以来隆升形成的，包括南、北美洲西部，非洲东部和我国青藏高原，其中尤以青藏高原最为重要。高原隆升可以改变大气环流^[27]，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。大气中CO2含量降低的说法已经有独立的证据支持，现在的问题是尚待查明高原隆升与洋流变化各起多大作用。

图8　南大洋演变的气候效应假说

A.距今5 300万年前：南美洲、澳大利亚与南极洲相联，南极周围海水可以与低纬区交换；
B.距今2 100万年前：南美洲、澳大利亚与南极洲分开，环南极洋流形成，南极洲处于“热隔离”状态

地球上这种“暖室期”与“冰室期”的交替旋回，曾经出现多次，但每次进入“冰室期”后还会回到“暖室期”；进入“暖室期”后还会回到“冰室期”，不会失控。^[28]而这种周期性交替现象在太阳系中只在地球上存在，邻近的金星、火星都没有这种情况。现在地球表层温度是15℃，有液态水，是迄今所知唯一的蓝色星球。而火星表面温度为-60℃，已经处在极端的“冰室”条件；金星表面温度为+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CO2，金星CO2是地球的26万倍，而且还有25千米厚由硫酸形成的云层，是一种“温室效应”失控的环境。^[29]只有地球能自我控制、自我调节，简直像一个超级生物，所以20世纪70年代英国就有人提出“盖娅”（Gaia，希腊神话中的地球神）假说，主张研究“地球生理学”。^[30]其实从地球系统科学的角度分析，这只不过是圈层间的协同演化，并非只有把地球神化才能解释。

地球演化的早期温室气体也非常多，38亿年前生命起源时地球的大气圈还属于还原性，以CO2为主；而今天这种O2远多于CO2的氧化性大气圈，是三亿多年前陆生植物发育、改造大气成分后才形成的。^[31]关于这种地球演化早期时生物圈的面貌，又是靠深海研究提供了线索。深海调查发现在2 500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”（如图9所示）。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，升温到三四百摄氏度后，密度由1.0降到0.7，因质轻而上升；由于充满了细颗粒的金属硫化物而呈黑色，使上升的热液犹似“黑烟”。硫化物在海水中结晶出来形成烟囱状，这些黑烟囱迅速生长，很快倒下，形成一片金属硫化物矿床。这是今天正在形成着的活的金属矿床，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。^[32]现在已知的深海热液活动区分布广泛，东海冲绳海槽就有多处发现。^[33]

图9　深海热液作用

深海热液区更加有趣的是热液生物群。1977年美国“阿尔文”号深潜器在东太平洋加拉帕戈斯海沟，发现在黑烟囱区分布着独特的深海动物群，引起了轰动。^[34]热液区生物的密度比周围高1万倍到10万倍，可以比作深海沙漠中的绿洲，其中最有趣的是可达2—3米长的管状蠕虫（如图10B所示），这些蠕虫既没有口也没有消化器官，全靠硫细菌提供营养（如图10A所示）。在2 000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、压强大，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。^[35]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。(www.xing528.com)

图10　热液生物群

A.热液蠕虫并无口、消化器官与肛门；B.长达2.5米的深海热液蠕虫；C.活的热液蠕虫群

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（如图11所示）：一类是我们习惯的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：

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：

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。^[36]

图11　“有光食物链”（上）和“黑暗食物链”（下）

这类生物中，最重要的是细菌。黑烟囱表面用电子显微镜观察，可以看到密密麻麻的细菌（如图12所示）。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”（deep biosphere）。1993年在北海海底以下3 000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，有热液细菌在温度100℃下生活。^[37]大洋钻探在太平洋5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1.1×103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1.5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1/10^[38]，占全球微生物总量的2/3。深部生物圈生活在极端特殊的条件下，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、几百万年。^[39]它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，最近在火山喷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。

图12　用扫描电子显微镜看黑烟囱表面布满的细菌^[40]

在地球40多亿年的历史上，形成含氧量接近现代水平的氧化性大气圈，只有近3亿多年；在此后的冰室期/暖室期旋回交替中，冰室期只占小部分时间；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时期，“将今论古”常常会导致错误，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，才有可能对气候和环境的未来进行推测。