地球-我们输不起的实验室 作者:斯蒂芬·施奈德-第4章

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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。








第二章　气候和生命的共同进化

　　气候既影响着地球上的生物，也被地球上的生物所影响，两者似乎是共同进化的。两者还都与一些奇妙而复杂的循环发生作用。

　　环境就是一个由循环构成的复杂网络。这些循环对生命的产生、进化及生存至关重要。水构成了雨、雪和海洋，导致沉积物的沉积。作为一种关键的营养成分，氮无论是在大气中还是在进入土壤和水的过程中，均在其自身的循环结构中发生迁移。氮还与疏循环相关。硫不仅产生酸雨和其他构成潜在危害的状态，它还在蛋白质的功能中发挥必要的作用。对地球上的生命来说体、逻辑与历史相一致等辩证思维方法。列宁指出：“虽说马，碳是最重要的一种元素，碳循环与外界的一切发生联系。上述循环是如何工作？这些循环内部又各有什么样的危险（如果有的话）对这些问题的解决只能借助于科学家工具箱中最先进的一些仪器，特别是人造卫星和电脑。电脑模拟技术的发展，将使我们中的大多数人尽可能地接近时间机器所观察到的真实状态。

　　营养成分在一个所谓的生物地球化学循环中发生迁移。生物地球化学循环这一术语是由韦尔纳兹基（V．Vernadsky）在20世纪20年代提出的，它描述的是生命、空气、海洋、陆地和其他化学成分之间的相互作用。气候影响上述循环的途径之一是通过控制物质在这些循环中的流动来实现的，部分地是通过大气环流的作用来实现。与此相应，营养成分有助于大气成分的确定，而大气成分又决定了气候变化。水蒸气就是这种营养成分的一种。当它凝缩成云的时候有原之者，有用之者。”即以历史经验为根据，以众人的感觉，更多的太阳射线被反射回太空，影响了气候。水蒸气和云还是温室效应的重要成分。另一方面，水还是维持地球上生命的生存的最重要的营养成分之一。

　　水文循环与沉积循环

　　任一时刻，穿越整个大气层的某一垂直柱体所包含的以水蒸气形式出现的水的含量，只有同一柱体下的海洋和冰盖中水的含量的50万分之一。与海洋的含水量相比，每年通过降雨形式降落到全球地表的淡水量也是可以忽略的。但是，不断遭受水文循环的蒸馏和扩散作用的只占地球总水量极小比例的淡水，相当于年降雨量50万立方千米。这一数量足以使地球表面5亿平方千米的面积接受每年约1米的降雨量。

　　大气和海洋环流的能量当然源自于太阳。它使水从湖泊、海洋和陆地蒸发上升。然后，凝聚作用和雨滴生长等作用使这些水以降雨形式回到地表。水的分布地点和数量，很大程度上决定了在各地得以生存的生命形式。

　　水还通过蒸腾作用从植物树叶转移到空气中。植物的蒸腾作用与水体和土壤的蒸发作用一起，构成土壤水文蒸发和蒸腾作用。在全球平均水平上，海水的蒸发量6倍于陆地的土壤水分蒸发蒸腾总量，尽管后者在某些大陆中央部位可以是主要的局部蒸发源。由水文循环引起的降雨过程既形成沉积物，也使沉积物遭受侵蚀。水将物质从陆地搬运至海洋，使之最终以沉积物形式在海底沉积。在一个相对较短的时期内，沉积循环包括了侵蚀、营养成分搬运及沉积物形成等过程，其中水流起着重要作用。在一个更长的地质时代，沉积、抬升、海底扩张及大陆漂移等过程变得更为重要。水文循环和沉积循环与以下6种元素的含量分布及迁移相互交织在一起：氢、碳、氧、氮、磷和硫。这6种元素又被称为常量营养元素，活着的有机体的95％以上是由这些元素构成的。要维持各种生命形式，就需要这6种元素之间保持合适时空间和量的平衡。尽管大量的这类营养元素以多种方式（有时不易提取）蕴藏在地壳中，但任一时刻这些重要元素的自然供给量却是相当稳定的。因此，为了使生命得以不断再生，需要这些元素进行反复的循环。

　　氮循环

　　作为一个重要的营养元素，氮也是化学上最为复杂的元素之一，其循环以多种形式进行。作为氮的原始形态，氮气（N。）占大气的78％。氮气的一部分在土壤和水中转变为含硝酸控的化合物（亚硝酸盐群）。这种转变就是所谓的固氮作用。氮被“固定在”或依附在其他化学元素上，并与其他原子（典型者如氢原子）之间形成牢固的化学键，这一过程亦被称为是氮的硝化作用。氮可以通过火（包括闪电或汽车引擎的点火或经化学施肥的植物的燃烧）以非生物形式固定下来，也可以通过特殊的固氮有机物而以生物方式固定下来。

　　被固定的氮残留在空气、土壤和水中。一些特殊的细菌在固氮时从植物中汲取能量来完成其工作。这些细菌常常生长在豆科植物的根瘤中，这些植物包括豌豆科的首精、蚕豆、豌豆和三叶草。由于这些植物具有固氮功能，人们通常在农作物生长季节之间种植这些植物，来补充由于大麦、玉米、西红柿等不具固氮功能的植物的生长而造成的土壤中氮的含量的耗损。通过将这种天然肥料吸收到它们的根茎中，使得这些植物能将适当形式的固定氮引入它们的组织中。这些植物然后通过化学过程将固定氮转变为氨基酸，再转为蛋白质。

　　生物体内以蛋白质形式固定下来的氮，最终将通过氮循环而转变为其原始状态，即大气中的氮气。当含有固定氮的植物死亡或被动物吞食时，这一转变过程也就随之开始。如果它们被动物吞食，则大多数固定氮以动物排泄物或尸体的形式回归自然。这些含有固定氮的产物（包括没有被吞食但死亡了的植物）将遭遇能分解腐生物的脱氮细菌等，后者可使固氮细菌的工作成果一笔勾销。通过脱氮作用，动物排泄物、动物尸体及死亡植物中的大部分固定氮，经过若干过程而转换成氮气，其一部分则转化为氧化亚氮（俗称笑气）。

　　与水蒸气和CO。一样，氧化亚氮（N刃）也是一种“温室气体”，它可以捕获地球表层的热量。许多年之后，风可以将氧化亚氮吹至大气层的高层，使得氧化亚氮被紫外线所分解。当氧化亚氮被这一作用所破坏时，同时产生其他的氮氧化物气体（NO和NOZ）o有趣的是，平流层中的NO和NO。被认为是对臭氧的含量起了限制作用。大气中的这类氮氧化物通过化学过程被转换为氮或硝酸盐或亚硝酸盐化合物，后者通过雨水带回地球表面时，可被植物所利用。

　　硫循环

　　对气候和生命具重要意义的另一个主要的生物地球化学循环是硫循环。作为营养物质的疏通过在蛋白质的结构和功能中所起的重要作用而对所有生物产生影响。某些数量和形式的硫对植物或动物是有毒的，而另一些流则决定着雨水、地表水和土壤的酸性程度，后者又决定了诸如脱氮作用等一些过程的速率。

　　与氮一样，硫可以有多种存在形式：二氧化硫气体（SO。）或硫化氢气体、亚硫酸盐化合物。其中亚硫酸盐化合物如在阳光下暴露，可以转变成腐蚀性的硫酸。当硫酸颗粒在空气中飘浮时，它们对笼罩在许多工业地区上空的烦人的烟雾的形成起了促进作用，这些地区往往大量使用含硫的燃料。

　　可以将空气中的二氧化硫气体或硫酸盐化合物颗粒作为硫循环的开始状态。这些硫酸盐化合物从大气圈中或直接降落、或以雨水形式降落，造成地表环境下硫化物的形成。某些形式的硫被植物吸收到其组织中。然后，与氮一样，当这些植物死亡或被动物消化后，植物中的有机硫化物又重返陆地或水中。在这一过程中，细菌又发挥了重要作用，它们能将有机硫转变为硫化氢气体。海洋中由某些浮游植物产生的一种化学物质，会转变为大气中的二氧化硫气体。这些气体可以重新进入大气圈、水和土壤，使循环继续进行。

　　硫循环通常进行得较为迅速，而含硫岩石的剥蚀、沉积和抬升等其他过程则需要长得多的时间。火山和人类活动（一般是工业活动）将硫带入环境。当人类