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【前沿报道】Science:盖娅(Gaia)2.0
2018-09-29 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  Science杂志914日发表LentonLatour观点文章,认为进入人类世之后,地球系统已从无意识自我调控的Gaia,转型为(人类)自我意识下自我调控的Gaia 2.0。如何从Gaia中学习,以创建可持续发展的地球—生命新系统Gaia 2.0,是我们面临的迫切课题。 

  一、Gaia假说

  20世纪60年代末到70年代初,英国独立科学家、发明家James E. Lovelock受美国国家航空航天局(NASA)之邀,参与喷气推进实验室有关火星生命探测的研究工作。在这期间,Lovelock注意到火星大气层主要由CO2组成,且处于化学平衡状态,与地球大气层气体的不平衡状态完全相反,说明火星不存在生命。受此启发,Lovelock开始重新审视地球的生命维持系统,并于1972年提出Gaia思想(Lovelock1972)。 

  Gaia是希腊神话中的大地女神,Lovelock是在其同乡、小说家威廉·戈尔丁(William Golding1983年诺贝尔文学奖得主)建议下,用Gaia一词来命名这一假说的。此后,Lovelock与美国生物学家琳·马古利斯Lynn Margulis)合作,明确并完善了作为超级有机体的地球理论/假说(Margulis and Lovelock1974)。 

  Gaia假说的核心思想是认为地球就像一个超级有机体,生物演化与环境变化相互作用,地球生物通过反馈过程对地球气候和环境进行调控,从而造就适合生物自身持续生存的环境。Gaia假说强调生物在地球系统演化中起了关键的作用。 

  Gaia假说提出后,赞同和质疑之声从未中断,Lovelock也为完善和验证假说做出了多方面努力。其中,两个重要工作对Gaia假说论证起了关键作用。首先,Lovelock与合作者通过研究海洋和大气圈的硫循环,发现海洋浮游生物大气凝结核气候之间存在反馈链,即高温将导致海洋浮游生物爆发,使得海洋和大气中DMS(二甲基硫)通量增加,DMS在大气中氧化成SO4,并形成硫酸盐气溶胶,成为云凝结核,从而增加云量和反照率,导致气候变冷(Charlson et al.,1987)。这一过程揭示了海洋生物和气候之间存在重要的负反馈机制(CLAW假说)。另一个工作是雏菊世界实验(Daisyworld Experiment;图1)。Lovelock与合作者及后继者设计了一系列的模型实验,通过从简单(单色雏菊,双色雏菊)到复杂(多色雏菊)的雏菊盖度—反照率—气候反馈过程模拟,阐明了生物对环境的自适应和自调控过程(Watson and Lovelock1983)。 

1 雏菊世界模型,显示黑白雏菊响应环境变化过程中的物竞天择,能够形成行星尺度的环境-生物自我调控机制Watson and Lovelock1983 

  事实上,我们也已从地球演化历史中看到,生物影响了大气圈O2演化过程,植物可以增加化学风化强度,影响大气CO2浓度,海洋钙质生物埋藏可以形成强大的碳泵,植物光合作用和有机质埋藏也能影响大气CO2浓度变化,这些过程都显示生物能够起到调控地球气候的作用。因此,虽然学术界对Gaia假说还存在争议甚至轻视,但Gaia假说在理解生物与地球系统关联方面无疑具有强大的解释力。我们注意到,Kump等人在《The Earth System》一书中就花了整章篇幅来介绍Gaia思想和雏菊世界气候系统。 

  二、Gaia 2.0

  在解释过去35亿年来行星地球—生命自我调控上,Gaia假说是有效的和富有启发性的,而最近Science杂志发表了Timothy M. LentonBruno Latour两位学者的,认为现今地球已进入“人类世”,地球—生命自我调控系统也出现了“转型”,从无目的、无意识状态转变为具有(人类)自我意识的状态。在这样的Gaia地球内部,从个人行为到全球性地球工程计划,都是有意识的选择和行动,这就使得Gaia进入了一个全新的状态,作者称之为“Gaia 2.0”。作者提出,考虑到人类行为的影响力和目的性,Gaia 2.0概念可能成为促进全球可持续发展的有效认识框架。或者,我们也可以称之为理解人类世地球系统的新范式。 

  LentonLatour认为,Gaia假说为我们理解地球—生命系统功能和演化提供了重要框架,这可以帮助我们从中学习如何创建地球—生命新系统Gaia 2.0。他们提出,Gaia有三个重要特征值得关注,分别是:自养性(autotrophy),网络性(networks)和层级性(heterarchy)。 

  1)自养性:在Gaia中,营养成分会被循环利用,且循环回路呈闭合状态,使得资源得以可持续利用 

  2)网络性:Gaia是由微生物参与的自适应的网络构成的,微生物构成了全球生物地球化学循环的基础,保持功能冗余的生物多样性,将有助于Gaia形成强大的自我调节功能; 

  3)层级性:在不同空间和时间尺度上,Gaia受完全不同的机制调控,如在构造尺度、千年尺度和十年-年际尺度上,气候变化和碳循环的过程和机制就完全不同。 

  而在Gaia 2.0,我们看到的是化石能源和资源的过度利用和不可持续性开发,固体、液体和气体废弃物及有毒成分的任意排放和非循环利用,多样性冗余的缺失,全球资源—经济治理结构中面临的局地、短期收益与全球性、长期效益之间的矛盾,以及气候系统的不稳定性和面对人类活动干扰的反应脆弱性。因此,如何借鉴Gaia地球系统的结构功能框架,是创建地球—生命新系统Gaia 2.0的迫切课题。 

  三、讨论 

  如何构建可持续的地球-生命新系统Gaia 2.0LentonLatour在文章中写道,“在原有Gaia概念和Gaia 2.0之间划一条线,让我们有机会重新评估我们的总体目标,以及实现它们的手段”。从Gaia理解框架我们认识到,没有生物多样的、维持生命的地球系统,人类的繁荣是不可能的。Lovelock也不断发出警告,Gaia地球的功能在不断衰退和丧失(见《The Vanishing Face of Gaia: A Final Warning》)。 

  那么,在Gaia 2.0,我们应该做什么?LentonLatour指出,首先需要人类社会作出有自我意识的自我调控,汲取从Gaia获得的教训,科学家需要与政治家、社会活动家和公众合作,同时,科学机构需要在诸多领域发挥作用,包括增强对环境、生态和Gaia功能损伤的监测感知力,提高监测质量,改进模型等等,并对环境变化和社会反应之间的时滞进行追踪,为Gaia的自我调控功能增加一些(人类)自我意识的响应。 

  当然,Gaia作为一个地球系统认识框架,对地球系统科学建立也具有重要启示意义。多年前我国一些科学家就对Gaia假说给予过充分关注,刘东生(2006)就将其称为地球系统科学中初露端倪的假说之一,今天我们也可以将Gaia假说看作是地球系统科学的一个重要理论支柱。而Gaia 2.0的提出则警示我们,在加强地球系统科学理论建设的同时,人类世面临的挑战已经在敦促我们开展地球系统科学的应用和实践建设了。如果说Gaia假说建立了地球生理学(Geophysiology)的理论,那么Gaia 2.0的提出则是促使我们真正开始地球工程学(Geoengineering)甚至是行星医学(Planetary Medicine)的实践了,而这一实践的目标,就是(有意识地)建设更好的能够维持可持续生存与发展的地球—生命新系统。 

    

  相关参考文献

  1. 刘东生.走向地球系统的科学:地球系统科学的学科雏形及我们的机遇.中国科学基金,2006,(5):266-271.()
  2. Charlson R J, Lovelock J E, Andreae M O, et al. Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate[J]. Nature, 1987, 326(6114): 655-661. 
  3. Lenton T M, Latour B. Gaia 2.0: Could humans add some level of self-awareness to Earth’s self-regulation [J]. Science, 2018, 361(6407): 1066-1068. 
  4. Lovelock J E. Gaia as seen through the atmosphere[J]. Atmospheric Environment, 1972, 6(8): 579-580. 
  5. Margulis L, Lovelock J E. Biological modulation of the Earth's atmosphere[J]. Icarus, 1974, 21(4): 471-489. 
  6. Watson A J, Lovelock J E. Biological homeostasis of the global environment: the parable of Daisyworld[J]. Tellus B: Chemical and Physical Meteorology, 1983, 35(4): 284-289. 

  (撰稿:熊尚发/新生代室)

 
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