生存或者死亡的蓋亞假說：行星與生命互相塑造

　　2018年10月08日 08:39 新浪科技

　　

　　活著的行星：生命改變了地球的方方面面，從大氣層到岩石層，再到地表以下的板塊構造。

　　本文編譯自大衛·格林斯彭（David Grinspoon）發表於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研究所（Planetary Science Institute）的資深科學家，參與了多次現行和擬議的行星際飛船任務。2013年，他被任命為美國國會圖書館的首任天體生物學主席。他同時還是一位音樂家，為「宇宙之家樂隊」演奏吉他。

　　行星可以是活的嗎？20世紀後期偉大的生物學家琳·馬古利斯（Lynn Margulis，1938—2011）認為可以。這位智識卓越的科學家是內共生學說的主要建構者，觀點常受到正統學界的排斥。她和英國化學家詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）合作提出了一個假說，認為生命是一種改變行星的現象，地球「活著的」和「非生命」部分之間的區別並沒有我們想象的那麼明確。許多科學界人士將他們的理論——稱為「蓋亞假說」（Gaia hypothesis）——視為偽科學，並質疑他們的科學品格。現在，馬古利斯和洛夫洛克或許可以得到正名了。近期的研究發現使我們有理由更認真地對待這一假說。蓋亞假說的核心是對行星及其生命之間關係的洞察，新研究改變了我們對這一關係的理解，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。它似乎會表現出「穩態」，即自我調節的體內平衡。地球的許多生命維持特徵都表現出了令人驚嘆的穩定性。從氣溫變化範圍、大氣氧含量到海洋的酸鹼度、鹽度和化學物質含量，所有這些都通過生物作用調節。幾億年來，所有這些特徵都維持在一個使生命能夠繁盛的範圍內。洛夫洛克和馬古利斯推測，生命整體與其環境通過某種方式相互作用，調節著這些全球性特徵。他們認為地球在某種意義上是一個活著的有機體。洛夫洛克將這個有機體稱為「蓋亞」（Gaia）。

　　

　　乾燥的火星。有一種可能是，火星和金星等行星由於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爾文關於生物演化的圖景是不完整的。達爾文確定了生命因環境變化而不斷適應的機制，使我們看到地球上所有生命是一個連續體，一個基因從共同根源擴散、增殖的過程。在達爾文主義者看來，地球本質上是一個具有一系列變化背景的舞台，生命必須調整自己。然而，是什麼（或者是誰）在改變布景呢？馬古利斯和洛夫洛克提出，生命戲劇並不是在一個「死」的地球舞台上展開的，這個舞台本身就是動態的，是一個更大的生物實體——由生物圈和在生物圈內塑造、響應並循環的「非生命」部分組成的蓋亞——的一部分。是的，生命會適應環境變化，通過自然選擇塑造自己，但生命也會推動並改變環境，改變地球。這就像你現在呼吸的空氣一樣明顯，空氣中的氧氣正是來源於生命。因此，演化並不是對無生命事件的一系列適應，而是一個反饋系統，一種交換。生命並沒有簡單地將自己局限在地球的動態變化中，相反，生命和地球在共同演化的過程中互相塑造。當你開始以這種方式觀察這個星球時，你會看到珊瑚礁、石灰岩懸崖、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體的一部分。你會意識到，地球的整個表面和深處其實都是活著的。

　　蓋亞假說從提出至今，依然難以獲得主流科學界的接受。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出標準的保守和不情願。不過，蓋亞假說也被批評模糊不清和轉換概念。一些人抱怨稱，「蓋亞論者」無法提出一個原創、明確且可驗證的科學命題。我們怎麼去評價、反對或擁抱一個沒有明確說明的概念呢？在不同的人眼裡，這一假說似乎又有不同的含義。這麼說確實也有一些道理。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願意將科學與哲學和是個相結合，他們也不介意爭議；事實上，他們應該很享受並歡迎爭議。

　　事實是，儘管蓋亞假說廣為人知，但它並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——上探索生命科學的方法，不同於探索一顆有生命存在的行星。這才是真正的重點，簡單但是深刻。因為生命並不是地球功能運轉中微不足道的計劃外產物，而是行星演化和行為中不可或缺的一部分。過去幾十年來，蓋亞論者已經差不多贏得了這場戰役。當然，反對者從未真正投降或承認失敗，但主流地球科學界已經放下了學術盾牌，並且與化學、氣候學、理論生物學和其他一些學科聯手，將蓋亞假說重新命名為「地球系統科學」。

　　在太空時代，地球與其他明顯毫無生機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展階段，就在不利於生命的初期降雨消退之後，生命就找到了立足點，地球開始走上與其他行星完全不同的道路。當生命和地球建立起這種聯繫之後，二者便開始共同演化並延續至今。

　　當我們用太空時代的工具研究地球，比如從某個距離對它進行整體觀察，或者鑽探海底深處，以及用多光譜成像等技術繪製全球元素、營養和能量的生物化學循環過程時，我們已經認識到，生命的影響要比我們原先預計的更深刻和更普遍。

　　我們認為理所當然的氧氣是生命在參與地球生物化學循環時的副產物：它們利用太陽能分解水分子，將氫原子保留下來，與二氧化碳反應形成有機物，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。臭氧層形成之後，生命才得以離開海洋，大陸才能被綠色的森林覆蓋。沒錯，正是生命讓曾經毫無生機的陸地變得生機盎然。

　　當我們越多地通過「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上被扭曲得認不出來。地球的岩石中含有超過4000種礦物質（構成岩石的結晶分子），比我們在其他任何行星上觀察到的礦物質類型都要多。研究地球礦物史的地球化學家總結稱，如果沒有生命的出現，這些礦物質絕大多數都不會存在。因此，在經過生命改造的地球表面，岩石本身也是生物的副產物。這一礦物質多樣性的巨大跨越發生在生命為地球大氣層提供氧氣之後，大量新的氧化礦物質開始形成，使地球沉積物中充滿了彩色的岩石。如果在觀察一顆遙遠行星時發現如此廣泛和多樣的礦物質，很可能就預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準中，用來搜尋生命導致大氣成分顯著失去平衡的跡象。事實上，礦物質和生命相互影響的歷史似乎可以追溯到最開始的時候。越來越多的證據顯示，礦物質對地球生命起源來說是重要的催化劑和物理基質。那麼，將地球的礦物質表面視為地球生命系統的一部分，視為蓋亞身體的一部分，是否真的是一個巨大的飛躍？

　　此外，板塊構造和地球深層內部的動力學呢？乍看之下，板塊構造似乎就是一個巨大的機械系統——一個不依賴生物學，而是為生命提供支持的「熱發動機」。而且，儘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，因為那裡的溫度對有機分子而言太高了。不過，正如我們發現生命的影響已經擴展到高層大氣，創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，也改變了地球的內臟，將地幔中的碳提取出來，堆積在沉積岩的表面，並將空氣中的大量氮氣以氨的形式封存在地幔岩石晶體中。

　　通過控制大氣的化學狀態，生命也改變了與其接觸的岩石，從而使地球的地殼和地幔氧化。這也改變了岩石的材料特性，即它們在各種力量和條件下如何彎曲、折斷、擠壓、摺疊和熔化。地球生物圈產生的所有粘土礦物都會使地殼軟化，幫助「潤滑」板塊構造發動機。地球的潮濕或許能解釋板塊構造在地球上的持續存在，而不是在乾燥的金星上。蓋亞假說陣營中還有一個更極端的觀點——目前還未被證實或否定——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，那麼生命可能真的是地球板塊構造形成的原因。最早提出板塊構造理論的學者之一，來自斯坦福大學的諾姆·斯利普（Norm Sleep），已經完全相信生命與地球的整體物理動力學——包括「無生命」的內部區域——密切相關。在描述生命對地質學、大陸形成和板塊的長期累積影響時，他寫道，「凈效應就是蓋亞。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。地球已經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製的行星。

　　現在，在海盜號著陸火星四十多年後，我們已經知道行星在宇宙中很普遍，包括那些大小與地球差不多，並且與母恆星距離合適、允許液態水海洋存在的行星。另一方面，洛夫洛克的激進觀點——關注大氣層並尋找與預期混合氣體差異顯著的特徵——已經成為我們探測外星生命策略的基礎。蓋亞式的思維已經滲透進我們對演化和系外行星適居性的認知中，並修訂了「適居帶」的定義。我們發現，通過一顆行星的基本物理性質（如體積和與恆星的距離等）並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並保持下去。或許在某些情況下，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）期間地球所經歷的一樣。加拿大維多利亞大學的年輕氣候模型學者科林·戈德布拉特（Colin Goldblatt）說：「地球的決定性特徵是行星規模的生命。地球教育我們，適居性和居民是無法分離的。」

　　

美國天體生物學家大衛·格林斯彭（David Grinspoon）在出版於2003年的《孤獨行星》（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上的應用。或許所有地方的生命本質上都是一種行星規模的現象，具有宇宙尺度的生命長度——以數十億年計的預期壽命，可以用來定義行星、恆星和宇宙壽命的時間尺度。

　　有機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。根據這一觀點，行星無法「苟延殘喘」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盎然的話，很可能早已經完全死掉了。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，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窪和地下能源。它可能還需要內在驅動的、持續而有力的地質活動。格林斯彭認為，一顆行星只有在地質學意義上是「活著」的，才可能在生物學意義上是「活著」的。沒有板塊構造活動，沒有深厚、強大的地球化學循環——生命以此為生並參與其中——生命就可能永遠無法像在地球上一樣，使自己成為火星上的永久特徵。

　　據我們所知，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裡開始的特徵：它們都很潮濕，都是岩石行星，都有濃密的大氣層和強烈的地質活動。比較行星學似乎在告訴我們，生命起源所需的條件可能是岩石行星的常態。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下來。它們不能像地球生命那樣，在金星和火星上站穩腳跟並成為永久的行星特徵。這可能是一個普遍的結局：誕生了生命的行星可能有好多個，但不是所有行星都能發展出強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在於，有利於生命的條件持續了數十億年。這可能不僅僅是運氣。

　　當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體時，我們對生命起源就會有全新的思考。或許生命不是發生在行星表面的事物，而是行星本身發生的變化：它是行星要變成的事物。

　　我們可以將生命想象成一團火。如果你嘗試過生篝火，你就知道打出火花並燃起火苗很容易，但保持火焰持續燃燒卻很難。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，到達某個臨界點之後，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模式，吸入氧氣，持續燃燒。此時篝火已經是一個自我維持的系統，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定的火苗？生命的最初階段可能極其脆弱，可能到了某個節點，一旦生命成為一種行星尺度上的現象，融入能為其提供支持和養料的全球流動中，它就能反過來自給自足，變得更像一團自我維持的篝火，不僅能保證吸入足夠的空氣，也可以自己補充燃料。一個成熟的生物圈應該能為生命的持續和蓬勃發展創造條件。

　　「活體世界」的觀點意味著，經過數十億年的演變，生命或者從行星上消失，或者就像在地球上一樣，完全接管行星並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體（或許可以稱為全球有機體），它就很難被殺死。當然，生命已經見證了地球上許多巨大的改變，有些是災難性的。地球生命的強韌和持久令人驚嘆，它似乎是不朽的。或許應該說是「准不朽」，因為行星不可能永遠存在，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著。這為我們提供了一種思考自身的不同方式。科學革命揭示出，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，就已經存在了相當長時間：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，也是最終導致藻類爆發、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，為通向一個完全不同的未來打開了一條通道。然後，當生命逐漸遍布全世界，並向地球深處發展時，地球就走上了一條不可逆轉的、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並重寫了行星演化的規則。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？地球是否處於一個新的分支點？

　　從天空中觀看地球，可以發現我們的工業化社會已經使地球發生了迅速而深刻的改變。軌道技術使這種觀察成為可能，同時這種技術本身也是地球所處的這場轉變中最奇特和驚人的方面之一。如果到目前為止，定義地球的特徵是行星規模的生命，那麼這些行星規模的燈光呢？這張展開的明亮燈光網能成為重新定義地球的特徵嗎？（任天）

地球只是宇宙的一個小細胞而已。