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如果有机会乘坐时间机器“作一次旅行，去对远古时代地球上自然发生的各种变化进行测年和测量，我想，大概没有一位活着的地球科学家会不马上抓住这一机会的。地球科学家可以超越数千年时间，观察地球表面大陆的漂移，这种移动不仅改变了大陆的位置及大气成分，而且使它们携带的生命也发生了变化。地球科学家还可以监视影响生命进化的空气、陆地和水的变化。只要适当注意，他们还能检测到生命反过来是如何改变了空气、陆地和水的性质的。有机物与无机物是互相联系的，具体表现在地球化学与生物学、地质学与气候学的关系上。在时间机器中，一切都在运动着，在不停地变化着，就如一张由生命和无生命单元的动态结合所构成的巨大、错综复杂并且变化着的网。如果没有非凡的想象力，一般的观察者是不会轻易理解这一图案的，除非他或她是一种怀着对地球的好奇的群体的一员，这一群体的人们使用一些精致的方法，来揭示远古以来曾出现过的大量的各种图案。这一群体以及他们所采用的方法，当然就是我们今天所称之地球系统科学的主要构成部分。 这种动态过程发生在地质时代。地质时代是一种几乎难以想象的时间跨度，在这里，1000年仅仅是一瞬间。威尔斯（H G．Wells）《时间机器》中的人物可以看到几个世纪以来文明的演变；在一个非常坚固、可以回溯至十分久远时代的装置里旅行的生物学家或地质学家或气候学家，可以观察到有机体的进化过程，以及它们与地球之间的相互关系。 一段特别值得一游的时期将是生命的萌芽时期，那就是大约35亿年以前的所谓的太古代时期。在那里，我们或许会解决一个重要的科学谜案，这一谜案不仅包含了地球系统科学，而且处在围绕全球变暖和我们针对地球的一些无意识实验的危害这一现代科学论争的中心。我们会在那里看到什么？ 我们将会看到太阳从天空云彩背后冉冉升起，看到高耸的、喷着烟雾的火山，看到海浪在轻轻拍打着既无树木，也无杂草的瘠薄的平地。海岸线上凸立的是一些古怪的、～米见方的、蘑菇状的石块。如果没有保护眼睛和皮肤的装置，我们不敢离开我们的时间机器，因为外面紫外线辐射强度极高，高到足以对陆地或空气中所有已知的生命的生存构成威胁。我们还必须佩戴氧气面罩，因为大气主要由二氧化碳气体组成，虽然存在一些氧气，但其含量大约只有今天的一亿分之一。大气温度高达38C，但正午的太阳比起我们所熟悉的全新世间冰川期（我们生活的时代）的太阳似乎要暗淡一些，而且显得要小一些。我们的时间机器外部的太阳能接收面板显示接收的能量约为600瓦，这大概是我们今天所接收的太阳能的四分之一。35亿年以前的太阳要比今天的太阳小。 原因何在？当我们将核物理学引入太阳系各种作用的研究中来时，我们发现与它的大多数同类星体一样，太阳也随着把氢转变为氮的热核反应而变得越来越大，其亮度也不断增加。大多数科学家相信，自地球诞生以来的大约45亿年间，太阳的发光度增加了约30％，其中有5％是在过去到乙年间增加的。就是在这6亿年间，生命快速进化，在我们今天挖掘到的岩石中留下了无法洗去的化石印记。 超级温室效应 如果将进入地球的太阳能削减25％左右，大多数气候学家会毫不迟疑地认为这将使我们陷入严寒之中。但是，在太古代，气候明显温热，而且没有冰冻天气——请记住，我们的时间机器的室外温度计所给出的读数是暖烘烘的38C。这一疑难问题就是众所周知的“弱早期太阳佯谬（early faint sun Paradox）”。在1970年，康奈尔大学的卡尔·萨根（Carl Sagan）和乔治·马伦（GeorgeMullen）提出了一种解决这一疑难的观点：一种超级温室效应。他们认为，甲烷和氨这两种气体能够在地球大气层的下部非常有效地俘获红外辐射，而太古代可能有大量的甲烷和氨，它们俘获的红外辐射足以弥补太阳辐射的不足，从而保持一种温热的气候。批评者认为上述观点是怪诞的。他们指出甲烷和氨是异常活跃的气体，而且在大气圈中的寿命较短，因此要取得上述效应，就必须不断地向大气补充这两种气体（一般假定是生物对之进行补充入果真如此，太古代又如何能够聚集起足够数量的甲烷和氨以使地球保持足够的温热来维持生命的延续？我们对此一无所知，而这也是为什么时间机器对那些热衷于探究地球奥秘者来说，是如此奇妙的一种想象的原因之一。 虽然对太古代时期的甲烷（CH。）和氨（NH。）是由生物过程还是由与生物体无关的其他过程产生这一问题，人们至今仍莫衷一是，但萨根和马伦的基本思想已被大多数学者接受。然而，当代研究表明主要的超级温室气体是CO。，而不是CH或NH3。但上述理论的阴影在今天仍笼罩着我们。如果太古代确实出现过萨根他们所推测的那种现象，那么这种现象会否再现？ 要回答这一重要问题，我们必须了解影响大气圈成分和结构的各种过程。 在科学上，了解的增多并不总是意味着肯定性的增加，至少在一个假说的早期是如此。对一个问题的解决常常会产生另一个新的问题。这里的问题是：为使太古代保持温和的气温，如果当时的CO。含量数百倍于现代，那么，在此后的30亿年间，随着太阳发光度增加了大约25％，又是什么作用使得地球气候没有相应出现急剧过热的情形？ 这一疑难问题的答案（事实上只是一些假说）通常有两种（有时是矛盾的）类型：一种理论认为是通过无机地球化学过程带走一定的CO。来达到对温度和CO。含量的控制；另一种观点认为COZ的带走是由生物过程来控制的；也有人认为两种过程都起作用。木管是哪一种观点，它们都是以一种被称为负反馈的作用为基础的。 我们这些热血动物都具有起稳定作用的负反馈机制。我们拥有生理学家所称之体内平衡系统。如果太热，我们通过出汗来达到一种负的或稳定的反馈。如果太冷，我们会颤抖，这是一种提高新陈代谢水平以产生热量的力学行为，它也是一种稳定的反馈。 在气候系统的众多反馈过程中，有些起着稳定作用，相当于一个恒温器，有些则起着降低稳定性的作用。例如，如果地球变热起来，雪和冰将会出现什么后果？某些会融化，这种融化的结果将是以绿树或棕色沙漠或蓝色海洋取代原先明亮、洁白、高反射的冰雪告终。绿树或棕色沙漠或蓝色海洋的颜色要比雪原深，因此将吸收更多的阳光。如果我们能够以某种方式使地球变热井因此使一部分雪融化，地球将吸收更多的阳光，而这种反馈机制将会加速变热过程。这是一种正反馈。但是，如果加热引起更多的水发生蒸发并形成白云，这将会有更多的阳光被反射回太空，从而降低地球的热量，这就是一种负反馈。 让我们再回到有关C（）z含量降低机制的争论。针对地球化学过程控制大气CO。含量这一模型，1980年，詹姆斯·沃克（JamesWalker）、保罗·海斯（Paul Hays）及詹姆斯·卡斯廷（JamesKasting）这几位当时都在密执安大学工作的学者，提出了一个风化一气候稳定反馈系统，这一系统被他们的同事们称为WHAK系统（他们几位名字的首字母之组合）。这几位学者指出，伴随气温的变暖，有更多的水蒸发，降雨以及水土流失的增加使水文循环更具活力。 WHAK机制运作的时间尺度是数千万年至数亿年。它本身并没有试图来描述短周期的CO。变化，这种变化可以解释恐龙时代的极热，以及2万年前本次冰川期的极冷（后面将要对此予以评述）。 如果大气中有高的CO。含量，CO。与雨水的结合产生碳酸，降雨的增加将使地表的矿物遭受大量碳酸的风化作用。在WHAK系统所提出的风化作用中，钙镁硅酸盐将与大气中的碳结合，降低大气的CO。含量，并将碳固定在碳酸钙（石灰岩）和碳酸镁（白云石）等沉积岩中。大气CO。含量的减低意味着温室作用的减弱，因此，通过这种无机负反馈过程，使地质历史时期由太阳发光度增加所引起的温度升高得到抵消。 盖亚假说是真的吗 太古代随着太阳发光度的增加，大气具有高的CO。含量，第二种假说认为＊0。的降低与生物学过程有关。英国科学家兼作家詹姆斯·洛夫洛克（JamesLovelock）曾提出了一种生物负反馈机制的设想。他试图解释生命如何在全球规模上作为一个自动负反馈系统发挥其作用。在他的邻居、作家威廉·戈尔丁（WilliamGolding）的建议下，洛夫洛克借用希腊神话中大地女神盖亚（Gala）的名字将自己的假说命名为“盖亚假说”。科学家们起初并没有认真对待这一假说，而且至今仍有一些人对它持批评态度。这一假说认为地球的大气圈是生物自身的一个不可缺少的、有规律的、必然的组成部分，千百万年以来，生物控制了大气圈的温度、化学成分、氧化能力以及酸度。“盖亚假说”的拥护者认为生物对地球的环境起着积极的控制作用。洛夫洛克的机制基于下述这样一种假定：即发生光合作用的微生物（如浮游植物），易于在CO。含量高的环境里繁殖，因此这些微生物将会迅速地（指在地质时间框架内）从空气和海洋中带走C（）。，转变成碳酸钙。当它们死亡之后，这些碳酸钙沉积物会下沉至海底。 洛夫洛克和微生物学家林恩·马古利斯（I。gun Margulis）多年来一直坚持认为，如果不是生物在起作用，地球的大气圈将是CO。占绝对主导地位，地球与其姐妹行星火星和金星将没有两样。他们指出，这种以C（）。为主的大气圈产生～种强大的温室效应，使地球的温度比现今要高出60C左右，足以烧焦各种生物。 上述假说的反对者的反驳意见是，在地球上出现生物后的大部分时间里，并没有进化出浮游植物，既然如此，这一CO；消耗机制又怎能被用来解释“晚近”（即过去几亿年）之前的“弱早期太阳作谬”？“盖亚假说”支持者对此的一种回答是，推测自生命开始以来即存在于海水之中的藻类可以分泌能固定一些碳的固体物质。确实，我们在太古代海滨所见的蘑菇状岩石就是一些叠层石，它们是生活在自身分泌的含碳的坚硬物质中的有光合作用的蓝绿藻的堆积作。今天人们仍能找到这些游绿藻的后代，它最常见于澳大利亚西部的沙克湾。 叠层石的进化历史较末代恐龙的长50倍。然而，人们并没有定量地证明，地质历史时期曾经存在足够多的这类生物体的结构，它们消耗了大量的CO。。因此，叠层石的作用仍是～个尚待解决的问题。 有时候会出现～些新的理论来调和一些互相对立的假说［这些假说即为哲学家托马斯·库恩（Tho。as Kuhn）所指之对立的范例（naraaigms ）j。在我看来，虽然现在肯定“盖亚假说”的真实性尚为时过早，但这一假说的支持者确实提出了一些新的明智的见解，从气候变化中的生物调节作用寻找弱早期太阳佯谬的答案。例如，霍华德大学的戴维·施瓦茨曼（David Schwartzman）及纽约大学的泰勒·沃尔克（Tyler Volk）不留常规，另辟踢径，认为太古代时期的气温既不是很热也不是很冷（见图二。l）。相反，这两位学者指出，只是当无机因素使他表温度降低到一定程度（如低达60℃～70C）后，才使原始细菌得以生存，此时，“盖亚假说”才发挥作用。随后几十亿年的生物进化在几亿年前达到高潮，出现了树木和花卉，生命的不断发展降低了CO。含量，从而结束了超级温室效应。随着地质时代温度的降低，更多形式的生命得以生存下来，它们反过来又通过消耗CO。参与了“盖亚假说”的负反馈过程。 沃尔克和施瓦茨曼提出了一种消耗CO的特殊机制——“风化的生物加强作用”的假设，该机制认为土壤中的生物群使矿物和风化化学物质之间的接触面积增加，从而大大提高了风化作用的速度。提出这一大胆设想的两位学者注意到了下面这一重要的、相矛盾的地质事实：自20亿年前以来，多次出现岩石表面被磨损和铲到的明显证据，它们与现代冰川所造成的印痕同属一类。因此，传统的地质学思维方法认定在地球历史的大部分时期存在多期冰川作用。如果这种结论成立的话，那么自太古代到进化出现复杂有机体的6亿年前这段时间内，地球的温度就不会像“盖亚假说”所要求的那样炎热。然而，“盖亚假说”的支持者们如同训练有素的律师一般，试图为这些与他们的假说相侼的证据作出另一种解释。比如，针对上述证据，沃尔克和施瓦茨曼指出岩石表面的擦浪是由诸如流星和小行星等外来物与地球的碰撞造成的碎屑流引起。这一问题的解决将成为地学研究者在探究地球系统科学的尝试中的收获之一。 尽管围绕CO。的消耗及温度问题仍存在争议，但没有人会怀疑生物在形成氧气这一空气中最主要的成分过程中所起的不可缺少的作用。光合作用利用太阳能将CO。和水转变成碳水化合物和氧分子。这一反应的逆过程就是生物的氧化作用和腐烂作用，即碳水化合物与氧结合，释放出热量，产生Ct）和水蒸气。将无权的CO。分子分解并合成有机的碳水化合物和氧需要利用太阳能来进行。同样，生物的氧化作用和腐烂作用则要利用氧气并释放出碳水化合物的化合键所储存的化合能。这种“生物能”可使热血动物产生自身的内部热量，这也解释了树木为什么可以作为一种燃料来燃烧。矿物燃料之所以能够燃烧是因为它们都是有机物质的残余，这些以碳为主的有机分子蕴藏着曾用来将CO。转变成植物体的古代太阳能。大多数生物最后都要经历腐烂过程，但这些有机物残余则不然，它们所含的碳分子以化石这种形式被保存下来。 这种情形的出现一般要经历一段缺氧的埋藏环境。如有机物先在内陆浅海底部沉积下来，然后遭受密闭、压实作用，并且随着时间的推移，有机物质经过化学变化转化为煤、石油以及甲烷（天然气）。我们今天点燃一块煤，实际上是在还原有机物残余中恐龙时代的CO。和太阳热量。一座煤矿的形成需要数百万年的时间，但人类释放煤中的CO。和其他化学元素则只需数十年的时间。这一人为加速的过程产生了我们今天最大的全球问题，并使气候学家和生态学家均为之忧心忡忡。为了明智地讨论上述问题，科学家们需要掌握确定时间的方法。他们不仅要确定岩石的形成时代（绝对时代），而且要确定一层岩石相对于其上下岩层而言的对比年代（相对年代）。 为古老的地球定年龄 地球并不是一直被认为有几十亿年的年龄的。早在18世纪，在法国和英格兰，人们就对地球的年龄争论不休。这场争论起先发生在神学家和科学家之间，后来科学家内部也出现了分歧。最早赋予地球绝对年龄的是一些神学家，对他们的结论提出话问会被认为是离经叛道。1645年，爱尔兰阿尔马大主教詹姆斯·厄舍（JamesUssher）引用圣经里列举的资料（实际上他是根据圣经人物的世代关系回溯创世历史），宣称上帝创世事件发生在公元前4004年10月26日上午9点整。到了19世纪早期，大多数地质学家明显地感到大主教的推测不大可能正确，甚至与真实情况相去甚远。 18世纪，苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿（James Hutton）以及他的一些同代人相信，塑造地球表面的物理和化学过程清楚地证明地球至少有几千万年的历史。他们的这一估计是根据一种被称为均变论（与突变论相对立）的地质学原理得出来的。均变论认为过去的地质作用实质上与今天正在进行的地质作用相同（这一概念在接下来的几页里将要多次提及）。例如，赫顿提出粘土和粉砂在现代河口的沉积方式是可以被视察到的。通过研究这些新的沉积层如何固结为页岩和粉砂岩，人们就可以推断老沉积层堆积所需的时间。如果假定在过去数百万年间发生相同的地质作用，我们就能够估计类似地层的年代，并得出地球的大致年龄。然而，这种采用岩层作为年代标志的方法所依靠的许多变量过于复杂，以致难以进行准确测量。比如，气候的变化以及陆地升高的差异可以改变剥蚀和沉积的速率。 图1．1所示的是根据现代测年技术而建立的一张地质年表序列。应当指出，虽然19世纪的地质学家们并不清楚他们当时研究的岩石的绝对年代，但他们多少知晓某一地层的相对年代。年轻岩石发育在年老地层之上，这一假定在大多数情形下是正确的，但也不尽然。这一假定就是所谓的地层层序律。 地质学家们针对不同岩石地层的成分和年龄设计了一套命名体系。这一体系由一系列时间段以及在这些时间段内沉积的岩石的名称所组成。这些时间段仅仅是地质时间的次级单元。过去6亿年的“晚近”时期由古生代（5．7～2．25亿年以前）、中生代（2．25～0．65亿年以前）以及新生代（0．65亿年以前至今）组成。大多数生命是在这一地质时代进化而成的。这些生物的化石残余被广泛地用来确定地层的相对年代，并将地质年代进一步细分为纪（Period）和世（ePoch）。我们已经掌握了生物进化的许多阶段，知道哪些动物和植物在进化过程中先出现，我们也就因此能够根据岩石所携带的化石的类别来确定岩层的相对年代。（化石的价值还体现在：通过在不同地区地层之间进行化石的对比，有可能追踪地球表面大陆漂移的轨迹。我们在下文还将看到，化石也是有用的古气候标志。）19世纪的地质学家们建立起来的地质时间序列主要解决了相对年龄问题，但绝对测年技术在当时仍是一个悬而未决的问题。寻找～种可靠的时钟来重建绝对地质年表，已成为学者们此后致力研究的一个主要目标。 开尔文勋爵的测年方法 在詹姆斯·厄舍宣布地球年龄200年之后，开尔文（Kelvin）勋爵试图利用科学的手段和推理来求出地球的年龄。 作为维多利亚时代格拉斯哥大学的自然哲学教授，开尔文是当时最具影响的理论物理学家。他采用当时已知的热力学原理来计算地球的年龄。根据对来自地球内部的熔岩流的观察以及以往对深部矿床的开采经验，开尔文知道地球的内部比地表要热得多。因此，他期望通过观察地表和地内的温度差别（即所谓地温梯度）来推测地球的形成年龄。他假定地球的初始状态是一个温度约为3850“C的熔融体。因此，他的计算结论是约需1亿年的时间才能使地球达到现在的地温梯度值。这一时间即被他视为地球的年龄。 开尔文的上述估算结果在其支持者——理论物理学家和反对者——地貌学家（研究地表形态的地质学家）之间掀起了一场大争吵。地貌学家们在应用均变论原理计算某些地质特征的形成时间时，发现地球表面的某些特征所反映的地球年龄远远不止1亿年。但是，这些地貌学家在当时又无法令人信服地证实他们所观察到的地质现象代表了更老的地球年龄，其观点也当然地遭到了许多物理学家的反对。在地球年龄这一问题上，物理学家们在当时提出的新认识实际上增加了科学家们对地球绝对年龄认识的不确定性。但这种局面只持续了数十年。 有时候，一些新的科学见解或发现会导致一种修正的范例以及一些看起来是矛盾的理论和观察结果之间的调和。地球年龄之争就是这样一种情形：在19世纪与20世纪之交，放射性的发现使得地球年龄这一问题再一次成为讨论热点。开尔文勋爵当初是不知道地核放射性作用所产生的那部分热量的，如果在他的计算中考虑到放射性产生的这部分热量，那么计算结果就会与地质学家们的最佳估计更为接近。后者是将均变论原理应用到地表形态的演化研究并进而推测地球的年龄的。放射性也为地质学家们进行地球绝对年龄的测定提供了一种独立的基准。放射性测年 一个放射性原子会随时间发生衰变。放射性原子的衰变速率被认为是一个常量（除非原子是以接近光速的速度发生运动），它实际上不受压力、温度等的影响，也不会因为由放射性原子构成的化合物（如岩石、水或空气）发生物理变化而发生改变。一个放射性元素的衰变速率是以其半衰期来表示的，即初始原子数的一半通过自然放射出质量和能量而衰变成其他（子）元素和粒子所需要的时间。如果我们知道子元素形成的恒定速率，那么，求得原始元素与子元素的比值，我们就能推算一块岩石的年龄。这一知识使得科学家们能够计算包含原始放射性元素的矿物的形成年龄。以岩石中的放射性衰变为向导，地质学家和地球化学家们能够确定岩石的绝对年龄，因而也能确定地球各种地层的绝对年龄。有了这一放射性测年技术，人们也就找到了一种用于计算地球年龄的可靠时钟。 用于岩石测年的有几种元素，其中包括衰变成铅（Ph）同位素的铀（U）同位素（半衰期在7～45亿年之间）、衰变成锯（Sr）的铆（Rb）同位素（半衰期为500亿年）以及衰变成氨（Ar）的钾（K）同位素（半衰期为13亿年）。 在同位素测年的早期阶段（1900～1939年），简陋的分析方法和有关原子核作用认识上的局限阻碍了科学家的实验工作。尽管如此，通过测量含铀矿物中的U／Ph比值以及多种岩石和矿物中He氦）／U比值，科学家们还是能够进行粗略的年龄估计。 由于Rb和K有较长的半衰期，Rb／Sr和K／Ar测年技术分别是最可靠的测年技术之一，其测定的年龄范围几乎包括了整个地球的约45亿年的历史。但是，如果要测定比较新的地质事件的年龄（比如过去几千年前某一事件的年龄），则需要采用一些半衰期短得多的放射性元素。 放射性碳测年 1947年，美国化学家威利亚德·利比（Williard Libby）发现了一种重要的测年手段，它使得气候学家、海洋学家、地质学家以及考古学家能够准确地重建气候变化、地质事件、动物进化以及文明演化的历史。利比及其同事们找到了一种估算在过去4万年以内死亡的植物和动物遗骸的年龄的方法，这些遗骸包括树木及其他残留体（如泥炭层）、海洋及淡水贝壳，以及溶解有碳的海水和地下水。 碳元素在大气圈一水圈一生物圈中极为丰富，它有三种天然同位素，“C是其中的一种。与“C和‘’C这两种碳的稳定同位素木同，“C是不稳定的，但相当连续的宇宙射线的照射会将大气圈中氮分子转化为“C，从而使“C不断得到补充。（太阳活动的变化会引起“C产量的变化，但这些不会对碳测年方法构成大的阻碍。）大气中的碳（包括“C）通过光合作用转化为有机碳化合物。 当植物活着时，其组织中的’‘C会保持着一种相对的平衡，这是因为它们不断通过光合作用从大气中补充“C供给量。动物总是吃活着的或刚死不久的植物（或食草动物），它们也保持着一种与大气圈密切平衡的“C水平。但是，当动物或植物死亡之后，由于没有新的“C的补充，它们组织中的放射性“C就发生衰减。 与所有放射性元素一样，“C也有其半衰期——约5750年。也就是说一定量的’‘C原子要经过5750年才能使其一半原子发生放射性衰变。由于这一衰变速率不受外界条件的影响，一个样品中“C的消失速率与’‘C进入该样品的时间之间存在一种绝对的关系。因此，通过测量一个样品中’‘C的相对含量，科学家能够确定该样品的年龄。气候学家们利用“C测年技术以及记录含化石地层的传统方法来建立气候变化年表。通过利用’‘C测年技术确定冰块覆盖下的树木标本的年龄，我们可以建立大陆冰川扩展的年代表。对沼泽中的泥炭样品和湖岸中的浮水的测年同样也可获得冰川作用的时间表。对深海各种浮游动物沉积物中“C含量的测定，能够确定适于各种动物繁殖的海洋环境之变更的时代。通过这种方法我们能够推测海水温度及相关的气候条件。运用利比的测年方法，气候学家们得以获得一张过去4万年来的全球气候图。对取自山洞聚居者的炉边的木炭所进行的放射性碳测年工作，则有助于人类学家获得有关人类历史及其与气候波动的关系的大致认识。 氧气的起源 矿物燃料在地下的形成在研究生命对大气的影响中至关重要，这不仅是因为21世纪人类正面临着由于矿物燃料的燃烧而带来的全球变热的环境风险，而且还因为这种形成过程也是氧气形成过程的一部分。 大约在10亿年或20亿年的时间里，海洋中的藻类一直在产生氧气。但是由于氧气极为活跃，而且在远古海洋中存在大量的还原矿物（例如，铁遇到氧气就很容易被氧化），因此，生物产生的大部分氧气在进入大气圈之前就已耗尽。当然，氧气在大气圈中也是极为活跃的。基于这一原因，大多数地球化学家相信，在地球生命历史的前半段，大气圈中氧气的含量只有今天含量的极小一部分。即使进化过程在这一厌氧微生物时代“发明”了更复杂的形式，如果这些生命想在陆地或空气中生存的话，它们不仅将缺乏呼吸所需的氧气，而且来自太阳的未经过滤的紫外线也会在这些生命有可能进化到更高级的形式之前将其扼杀。地球化学家们曾经指出，20亿年前，当海洋中的大多数还原矿物都被氧化之后，大气中的氧气含量才开始显著增加。这也为当时一些刚刚进化到要靠氧气来驱动其代谢机制的生命形式打开了其生存所需的生态空间。 拯救臭氧层 对于那些试图在地表或大气中生存的生命形式来说，大气圈中氧气的存在还有另外一个非常有益的作用：过滤对生命有害的紫外线辐射。紫外线可以破坏许多分子，比如DNA。禁止生产臭名昭著的含氟氯烃（CFC）也是基于这一原因，因为氟氯烃促进了平流层中的臭氧层耗损。 在紫外线的照射下，由二个氧原子组成的氧气分子Oz，被分解成相当不稳定的单分子O（它可以重新组合为O。）以及非常特殊的由三个氧原子组成的臭氧分子O。。臭氧分子能吸收太阳辐射中的大多数紫外线。只有大气中存在充足的O。，才能产生维持陆地上的生命（植物或动物）所需的O。。生命从原核生物（无核的单细胞生物）到真核生物（有核的单细胞）再到多细胞生物的快速进化大致发生在过去10亿年间（又称为大气的氧气和臭氧时代），看来确实不是偶然的巧合。 火山气候和漂移的大陆 我们不应得出这样一种印象，即地球大气圈在向氧气阶段的过渡以及CO。的消耗过程中，地球经历的是一种均稳的或均一地变化着的气候（见图1．1）。在生命从单细胞细菌或藻类向霸王龙进化的巨变阶段，气候以及大气成分均不是稳定的。大陆发生漂移和碰撞，引起山脉隆起并风化，导致火山喷发，上述效应作用在洋中脊，形成海底。由于海底的物质密度要大于大陆，因此当海洋板块与大陆板块发生碰撞时，海底下沉（潜没）到大陆板块之下。一个“声名狼藉”的潜没带就是太平洋中的“火环带”，它是漂移的大陆板块之间的交界，交界处板块之间的滑动和挤压导致了该地区（神户、安克雷奇、旧金山、洛杉矶、库页岛、墨西哥城）火山和地震的高发生率。在大陆底下被挤压进入岩石圈的物质并不见得就此永远从大气层中消失。回想一下部分潜没物质的组成：它们是一些遭受风化的岩石，这些岩石中的矿物与从大气和海洋系统中带来的碳结合在一起（这种结合有时被生命进化过程所调节）并以沉积物的形式埋藏下来。反过来，发生在“静止地球”顶部的异常缓慢的作用，使得这些物质实际上通过持续的活火山喷发或偶尔的火山爆发而被再循环至大气圈和海洋。这一再循环过程耗时可达数亿年。再循环物质的火山喷气作用，即所谓的沉积循环，对于C（）z 的消耗及气候的稳定有着更深入的关系。 漂移 尽管大陆漂移理论仍存在许多悬而未决的模糊之处。20世纪60年代，当这一概念的基本原理被地质学家和地球物理学家们所普遍接受时，它也就成为引发地球科学革命的一个新的范例。这一科学设想由德国气象学家和地球物理学家阿尔弗莱德·魏格纳（Alfred Wegener）在20世纪20代首先提出的。 在魏格纳之前的数个世纪，大陆漂移就曾是一种普遍流传而多少令人感到怪诞的观点。面对绘制好的大西洋两岸的大陆地图，地理学家fIJ注意到如果将某些大陆（如南美和非洲）移到一起，则可以看到这些大陆之间存在着非常好的锯齿状吻合关系。在整个19世纪，地质学家们在不同大陆的相对应地区发现了类似的岩层和矿物层（地层）、化石以及一些其他可以对比的特征。例如，在诸如南美和非洲这两个现在远隔重洋的大陆之间，存在着相似的二叠纪冰川作用遗迹，这导致一些学者怀疑它们曾连在一起构成一超级大陆（名曰冈瓦纳古陆）的一部分，它们当时位于南极附近并发生冰川作用。 冰川作用的遗迹包括拖曳着巨大砾石的冰川在岩石表面蚀刻的相似的槽沟形式。根据这些槽沟，科学家们能够确定古冰川的运动方向。 持怀疑态度者对这些证据不屑一顾并嘲笑大陆漂移这一理论。美国哲学学会理事长在20世纪20年代曾宣称大陆漂移理论是“十足糟透了的胡说八道”。直到二战结束以后大陆漂移理论仍未获应有的承认。事实上，人们还需要两项革命性的进展才能使魏格纳的观点变得可信：证实大陆曾经移动（而且今天仍在移动）的直接物理证据以及对这种移动的解释。 20世纪50年代，伴随着全球洋中脊体系的发现，大陆移动的物理证据也开始出现。全球洋中脊体系由基本上环绕地球的长约65000千米的海底山脉组成。沿着这一山链的中央部位存在一条窄而深的裂谷。热的岩浆沿着这一裂谷上涌，在岩浆凝固的同时，它们向两侧扩张形成新的地壳物质。这一过程被称为海底扩张，到了20世纪60年代时它已被古地磁方法证实。随着新的岩石的形成，它们被永久磁化，其磁场则沿着形成时地磁场所指的方向排列。当地磁场发生倒转时，在洋中脊两侧的海底均可见到平行对称的反向磁异常条带。如果已知发生这些磁极倒转的大致年代，则通过测量裂谷与反向磁异常条带之间的距离就可以确定海底扩张的速率。 当一艘考察船拖着磁力仪在海底“裂带”上方的海区来回穿梭时，磁力仪会获得这些裂谷的有关古地磁证据，并进而确定其极性。20世纪60年代晚期，作为深海钻探计划的一部分，“格洛玛·挑战者”（Glomar Challenger）号考察船从大西洋洋中脊直接获得了岩芯，从而为科学家们提供了直接的证据。如同所预测的那样，裂谷处的海底被证实是最年轻的。沿中轴往两侧，海底的年龄逐渐变老。由于海底的地壳不断被埋葬和再循环，因此，相对于大陆来说，洋底的年龄较为年轻。洋底的平均年龄大约为1亿年，而测年所得最老的大陆岩石的年龄为近40亿年。 当新的海底形成时，老海底发生什么变化？海底的更新又是如何影响了大陆？使魏格纳的理论变得可信的第二个革命性的进展——板块构造学来自于试图回答上述及其他问题所进行的科学探索。 有必要将支持大陆漂移的观察到的事实与试图解释这些事实的假说区分开来。生物进化也有类似的情况。如前所述，数以百万计的化石碎片以及其他更新的证据支持了生物进化这一事实，但达尔文（Darwin）用来解释进化机制的经典理论——自然选择，在今天仍是一个令科学家们争吵不休的话题（神创论者当然也要对这一理论提出挑战）。当然，解释这些现象的理论的不完善并不能否定支持这些现象的大量的证据的存在。 类似地，且不管已被普遍相信的板块构造学本身的正确程度有多大，大陆漂移的证据是随处可见的，并为所有有远见的地质学家和地球物理学家所接受。 已故加拿大物理学家威尔逊（J．T．Wilson）1965年提出了漂移板块的观点。根据板块构造学理论，地壳可划分为一些巨大的块体（板块），在来自地球内部的热量的驱动下，这些板块在柔韧的地慢上漂移。这些由大陆地壳和海底地壳组成的板块，方圆可达数千千米，厚可至130千米。当板块在水平方向相互离开时，在板块之间会形成一些裂谷（洋中脊），从而为新海底的上涌打开通道。如果这样的裂谷出现在大陆上（非洲的阿法尔裂谷就是一例），大陆就开始分裂。当板块发生碰撞时，它们或者是发生弯曲形成山脉，或者是一个板块潜没（下冲）到另一板块之下，二者必居其一。后一过程就形成了太平洋地区火山活动频繁的“火环带”。热量和压力使部分潜没物质发生熔融，这部分熔融物质最终将沿裂谷上涌形成新的地壳。当两个大陆板块发生碰撞时，将形成山脉（如印度板块撞到亚洲板块，形成喜马拉雅山脉）。板块交界处的地震活动也较其他地区频繁，这也进一步支持了板块构造理论。 我们在此介绍板块构造理论的主要目的，是想说明地球表面是处于不断变化之中的。前文我们已经暗示了大陆漂移与冰川活动期有某种联系。至少可以将一种气候上的巧合事件与大陆的重新调整联系起来：比如南极大陆与周围大陆的隔离以及随后的冰川作用。 在南极大陆被隔离开来以前，即地质第三纪前半段（约3500～6500万年以前）的大部分时间里，南极洲曾发育落叶树（季节性的）和针叶树（常青树）的许多种类。南极洲西部一些岛屿的树木碎片化石证实了这一事实。因此，当时南极洲（至少在发现树木化石的南极边缘）的温度比今日要高约10C～15C。 5500万年以前，澳大利亚大陆开始与南极大陆分离，这一事件不仅导致了南极洲显著的气候变化，而且还使澳大利亚发生特殊的生物进化，例如袋鼠的单独出现。自从南美洲和南极洲东部之间的德雷克海道打开之后，环南极洲海流从此畅通无阻。这一环流阻挡了北方的暖流，从而使南极洲周边的海水温度较低。因此，相对于南极大陆与周边大陆的隔离这一事件来说，大约4000万年前，南极海水的发育以及随后南极冰盖的形成远远不是偶然的。到了距今400～700万年前，南极大陆确确实实发生了强烈的冰川作用。当然，也有人认为南极被冰覆盖的时间要比这一时间早数千万年。不管怎样，南极冰盖今天所容纳的水量与全球海平面曾下降60米相吻合。有证据表明，另一支重大的海流——海湾洋流也在逐渐增强。 与洋流的增强以及大陆逐渐漂移到各自目前的大致位置这一过程相伴，从赤道到两极气候也出现了差异分明的分区。一些植物和动物在极地气温较高时曾广泛分布于全球各地，后来，随着极地变冷，这些植物和动物根据各自的生态需求（这些需求也随生物种的进化而改变），迁徙到一些适合它们生存的气候条件更为局限的地区。虽然许多物种的活动范围受到了限制，但由于今日地球的气候差异比新生代早期更为普遍，反过来它也为物种提供了更多的生态机会和生存空间。这也使我们联想起包括哈佛大学的爱德华·威尔逊（Edward O．Wilson）在内的一些生物学家所报道的一种现象：物种种数的绝对值（不一定是它们的丰度）随地球的变冷而增加。此外，从白玉纪到现代的过渡时期中，白玉纪有助于煤层和油层形成的高的生物生产率，也随着地球的变冷和CO。含量的可能减少而降低。 地球就这样缓慢地进入了第四纪，在这段晚近地质历史上长约200～300万年的时期内，大约每隔4～10万年，就会重复出现冰盖的重大扩展和收缩。 我们目前正生活在第四纪内长达1万年的气候上非常稳定的一个间冰川期（全新世）内。我们后面还要讨论这种稳定能持续多久。 |
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