盖亚假说———种新的地球系统观，本文主要内容关键词为：假说论文,地球论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
〔中图分类号〕N031 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1000－0763（2001）01－0087－05
盖亚假说（Gaia hypothesis）是由英国大气学家拉伍洛克（James E.lovelock）在 20世纪60年代末提出的。后来经过他和美国生物学家马古利斯（ Lynn margulis）共同推进，逐渐受到西方科学界的重视，并对人们的地球观产生着越来越大的影响。同时盖亚假说也成为西方环境保护运动和绿党行动的一个重要的理论基础。本文将对盖亚假说的提出和发展、盖亚假说的科学内涵及其争论、由盖亚假说所导致的新的地球系统观和盖亚假说给人们的启示等方面进行阐述和讨论。
一、盖亚假说的提出和发展
60年代初，正在美国国家喷气动力实验室工作的拉伍洛克接受了美国国家航空航天局（NASA）关于火星上是否存在生命的研究课题。他提出了一种直接分析火星上的大气构成，而不用把航天器降落到火星表面来定点寻找生命是否存在的想法。他认为如果一个行星存在生命，必定要求其大气既作为生命有机体的一种原料资源，又作为生命有机体的一种废物排放之地。行星大气对生命有机体的这两种用途将改变大气构成，使其远离化学平衡态。如果观测到的一个行星的大气构成远离化学平衡态，则可能存在生命。带着这种想法，他开始考察当时已知其大气构成的火星和金星，发现这两颗行星的大气构成都接近化学平衡态。大气的主要成分是一般不进行化学反应的二氧化碳。因此，两者都不应该存在生命。为了肯定这一预言，他开始考虑有生命存在的地球大气的构成，发现其远离化学平衡态，如大气中高达21%的活性气体氧气和1.7ppm（百万分率）沼气能共存（由于在阳光下沼气和氧气会起化学反应，形成二氧化碳和水，要维持沼气1.7ppm的比率，每年需要5 亿吨沼气由能产生沼气的生物体排出），而二氧化碳只有万分之几。
正是在这个时候，即1965年秋的一天，盖亚想法出现在他的脑海里，即地球大气的这种独特的和不稳定的气体混合比率为什么在相当长的时间内能维持不变呢？是否地球上的生物不仅生成了大气，而且调节大气，使其保持一种稳定的气体构成，从而有利于生物体的存在呢？
当时他对这种控制系统的性质还没有任何想法，只是认为地球表面的有机体必定是这个系统的一部分，并且气体的构成可能是被调节的因素之一。后来，他从天体物理学家那里得知，恒星随着年龄的成熟，发热能力会增大；自从36亿年前地球上有生命以来，太阳的发热能力已经增强了25%。然而地球却保持了有利于生命存在的温度。在如此长的时间内，地球的气候是否会被有效地调节呢？此时，一种涉及整个行星和行星上生命的控制系统概念在他的大脑里牢固地建立起来。
但这时他没能继续推进他的这种观点，而是推进他的更小的目标，说服喷气动力实验室研究生命科学的同事们接受大气分析是探测其它行星上是否存在生命的有效方法。他当时并没有意识到，如果他们接受他的观点就意味着承认火星上几乎不可能存在生命。这可能导致取消去火星上直接探测生命是否存在的海盗号飞船计划。
尽管这样，NASA对他的这种危险的观点还是很宽容的，并允许他在这方面继续工作。他的一个天文学同事赛甘（Carl Sagan）是ICARUS（航程无限的洲际宇宙火箭）杂志的主编，虽然不同意他的通过大气分析来探测行星上是否存在生命的观点，但同意在其杂志上发表他的有关论文。而他把地球作为一个自调节系统的文章是在1968年美国航空学会会议上首次发表的。但把地球作为一个超级有机体并用盖亚（Gaia）来命名则是1972年的事。他接受了在英国家乡的邻居、小说家勾尔丁（wil-liam Golding）的建议，用盖亚这个古希腊地球女神的名字来命名。随后他与杰出的生物学家马古利斯合作来发展他的盖亚假说。
但拉伍洛克和马古利斯关于盖亚假说研究论文的发表遇到了阻力。《科学》和《自然》等重要科学刊物虽然对他们的论文很感兴趣，但不能通过同行评审。在这些评审者看来他们的观点是危险的。尽管他们的论文没能在这些重要的刊物上发表。但拉伍洛克常常被邀请参加各种学术会议，并以会议文集的形式发表他们有关盖亚假说的研究论文。1989年美国地球物理联合会选择盖亚作为学术会议的主题，几百名科学家和学者参加了会议，并于1993年出版了《科学家论盖亚》（Scientists on Gaia）大型文集。从此尽管科学界对盖亚假说有不同的观点，但以此为主题进行研究的科学家越来越多，特别是近年来NASA在全球生态学、生物圈学和地球系统科学的名义下支持此类研究，使得其影响也越来越大。一些科学哲学家、环境保护主义者和政治家等也从各自的角度关注和讨论盖亚假说，有关的论文和书籍也越来越多。
二、盖亚假说的科学内涵及其争论
现代科学把地球作为一个超级有机体的思想并不是拉伍洛克最先提出的。早在1785年被称为地质学之父的哈顿（James Hutton）就指出：“我认为地球是一个超级有机体并且应该用生理学的方式对它进行恰当的研究”〔1〕。 他利用血液循环和氧与生命之间的联系等生理学的发现来看待地球的水循环和营养元素的运动。然而，到了19世纪哈顿的这种把地球作为一个整体来进行研究的观点被抛弃了。地球科学和生命科学分离了。地质学家认为，地球环境的变化只不过由化学的和物理的过程所决定；而生物学家则认为不管地球环境如何变化，对有机体来说，只是个适应的问题。甚至达尔文也没有认识到，我们呼吸的空气、海洋和岩石或者是生命有机体的直接产物，或者被生命有机体大大地改变了。
直到1945年，被称为现代生物地球化学之父的俄国科学家沃纳德斯基（Vladimir Vernadsky）才认识到生命和物质环境是相互作用的，大气中的氧气和沼气是生物的产物，并建立了一种生命和物质环境两者共同进化的理论。但这种共同进化论很象精神上的朋友关系，生物学家和地质学家保持朋友关系，但不是密不可分的关系。这种共同进化论不包括由地球上的生物和其物质环境所构成的系统主动地调节地球的化学构成和气候；更重要的是，它没有把地球看作一个活着的有机体，更没有把它看作一个生理的系统。
盖亚假说把共同进化论向前推进了一大步。它认为地球上的生命和其物质环境，包括大气、海洋和地表岩石是紧密联系在一起的系统进化。它把地球看作一个生理的系统，拉伍洛克甚至直接把盖亚假说称为地球生理学。正象生理学用整体性的观点看待植物、动物和微生物等生命有机体一样、地球生理学是把地球作为一个活的系统的整体性科学。拉伍洛克认为这种地球生理学是一种硬的和严格的科学。它主要研究诸如大气和温度调节系统的性质。它也是行星医学（Planetary medicine）这个实际经验领域的基础。它不能打破现代科学思想和实验的诚实传统。它是哈顿和沃纳德斯基有关思想和理论的继承和发展。
作为一个科学假说，盖亚假说不仅是要描述世界的真实图景，更重要的是它能刺激人们有效地提出问题和预测，随后的研究或者证实其预测，或者拓宽有意义的研究领域。这样，盖亚假说就有效地推动了研究的进展。盖亚假说的预测有些已经得到证实，有些还在研究之中有待证实。例如，1968年根据盖亚假说预测火星上没有生命，1977年海盗号飞船予以证实；1971年预测有机体产生的化合物能把一些基本元素从海洋转移到大陆表面上来，1973年二甲基硫和甲基碘被发现；1981年预测通过生物地增强岩石的风化，二氧化碳可以控制调节气候，1989年发现微生物大大加速了岩石的风化；1987年预测气候调节通过云密度的控制与海藻硫气体的释放相联，1990年发现海洋云层的覆盖与海藻的分布在地理上是相配的，此预测还需要进一步的证实；1973年预测在过去的2 亿年里大气里的氧气保持在21±5%的水平，这一预测在证实中；1988 年预测，太古代的大气化学由沼气主导着，此预测在证实中；等等。总之，盖亚假说在预测和证实的意义上完全遵循现代科学产生以来的传统，并大大拓展了研究的视野。
盖亚假说也引起了科学界的激烈争论。第一类争论是由对概念的理解不同引起的。盖亚假说的核心思想是认为地球是一个生命有机体。但对生命是什么，不同的学科有不同的定义。物理学家把生命定义为一个系统通过吸收外界自由能和排除低能废物，而使内熵减少的一种特殊状态。新达尔文主义生物学家把生命定义为一个有机体能够繁殖后代并通过在其后代中的自然选择来修正繁殖错误。生物化学家把生命定义为一个有机体在遗传信息的指导下，利用阳光或食品等自由能而生长。而盖亚假说或地球生理学家把生命定义为一个有边界的系统、通过与外界交换物质和能量，在外界条件变化的情况下，能保持内部条件的稳定性。
盖亚假说对生命的定义在物理学家和生物化学家各自对生命定义的范围内，因此，他们从概念上往往不反对盖亚假说。而新达尔文主义生物学家则反对和嘲笑盖亚假说。他们说，地球不能繁殖，不能在与其它行星的竞争中进化，怎么能说地球是生命有机体呢。而拉伍洛克争辩说，新达尔文主义生物学家对生命的定义太狭窄。他指出生命大体有繁殖、新陈代谢、进化、热稳态、化学稳态和自我康复（医治）等特性，但不是所有的生命形式都完全具有这些特性。正象微生物和树木没有热稳态特性，人们仍把它们作为生命有机体一样，地球没有繁殖特性，同样也可以作为生命有机体。
1985年拉伍洛克接受美国物理学家罗瑟斯坦（Jerome Rothstein）的建议，把盖亚形象地比作美国西海岸的红杉树。一颗红杉树97%以上的部分是死的，只有树皮下和木质外围之间的形成层和树叶、花和籽是活的。同样，地球绝大部分是死的，只有散布着各种生命有机体的地表的“形成层”才是活的。另外，树皮和大气也分别起着相似的作用。
第二类争论是由对盖亚假说所包含的不同层次的含义的理解不同引起的。盖亚假说至少包含5 个层次的含义：一是认为地球上的各种生物有效地调节着大气的温度和化学构成；二是地球上的各种生物体影响生物环境，而环境又反过来影响达尔文的生物进化过程，两者共同进化；三是各种生物与自然界之间主要由负反馈环连接，从而保持地球生态的稳定状态；四是认为大气能保持在稳定状态不仅取决于生物圈，而且在一定意义上为了生物圈；五是认为各种生物调节其物质环境，以便创造各类生物优化的生存条件。对于前两层含义（常常被称为弱盖亚假说）一般没有争论；而对于后三层含义（常常被称为强盖亚假说）就有很大的争论。其争论表现在如下几个方面：
第一，如果把盖亚作为一个负反馈调节系统，那么怎样理解该系统的目标，是某种意义的设计呢，还是系统本身的自发状态呢？拉伍洛克认为这个系统本身有一种稳定状态。但盖亚假说的批评者认为，盖亚假说没有独立的目标定义，即大气服务于不管大气如何行为的目标。
第二，如何理解盖亚的自动平衡态。盖亚假说的批评者指出，地球产生以来，大气中的氧气、二氧化碳和沼气的含量已经发生了很大的变化，它怎么能保持自动平衡呢？而拉伍洛克则解释说，盖亚作为一个活的系统，其稳定态不是永远不变的，而是一种动态的稳定。在外界条件变化很大的情况下，这个系统通过自动调节，只产生微小的变化，从而保持有利于生命存在和进化的条件。
第三，如何理解模型的功能。尽管拉伍洛克及其合作者和支持者根据盖亚假说，能得到一些预测，并且有些预测已经得到了证实，但把盖亚作为一个整体系统来研究，只能建立计算机模型和进行模拟实验。拉伍洛克及其合作者为盖亚假说研制了名为雏菊世界（Daisy world ）的模型并进行了大量的模拟实验，来研究和说明地球生态系统的结构、行为和运动机制。盖亚的批评者则认为模型只是研究的一个工具，不能代替对地球生态系统的实际研究。如果盖亚假说主要是通过模型研究而不是通过实际研究，那么就很难说它是“科学的”。
应该看到，盖亚假说作为一个具有科学革命意义的学说，在科学界引起激烈的争论是一种正常现象。正是这种争论已经并将继续推动其向前发展。
三、一种新的地球系统观
盖亚假说不仅具有上述科学意义，而且具有很大的精神意义。拉伍洛克用盖亚来为其学说命名本身就表明这个假说的精神价值。在古希腊神话中，盖亚是宇宙浑沌的女儿，是地球母亲，其他许多神都是她的后代。很显然，地球母亲的思想，作为一种世界观在古希腊时期就出现了。到了中世纪，地球母亲的世界观有时被象征性地或隐喻性地来理解，上帝通过她创造地球上的各种生命形式。随着现代自然科学的兴起，地球母亲的观念变为一种浪漫的和富有诗意的传统，而离开了自然科学。但作为现代地球科学、大气科学、生态学和微生物学等领域交叉最新成果的盖亚假说，又复活了地球母亲的观念，并赋予其现代意义，这是一种新的地球系统观。
盖亚假说认为，地球不仅容纳了千百万种生命有机体，而且它本身也是一个巨大的生命有机体。岩石、空气、海洋和所有的生命构成一个不可分离的系统。正是这个系统的整体功能使得地球成为生命存在之地，也就是说，生命要依靠整个地球的规模才能生存。地球上物种的进化与其物理和化学环境的进化紧密地联系在一起，构成单一的和不可分割的进化过程。
盖亚假说的提出与拉伍洛克“从上到下”的系统思维方式密切相关。作为要探讨其它行星上是否存在生命的大气学家、拉伍洛克没有采用“从下到上”的传统的还原论的思维方式，即没有采用从最小的生命形式开始，逐渐扩展到大的生命系统的方式，而是站在地球之外，把整个地球作为一个系统，并把地球系统与火星系统和金星系统相比较，从而提出盖亚假说的。拉伍洛克指出：“当我们从外层空间向地球运动的时候，首先我们看到的是包围着盖亚的大气外围；然后看到的是诸如森林生态系统的边界；然后，看到的灵活着的动物和植物的皮；进一步是细胞膜；最后是细胞核和DNA。 如果生命被定义为能够主动地维持低熵特性的自组织系统，那么，从每一个层次的边界之外来看，这些不同层次的系统都是活着的。”〔2〕正因为拉伍洛克把地球作为一个整体， 并采用“从上到下”的系统的思维方式，才能提出盖亚假说。这也表示盖亚假说是一种新的地球系统观。
盖亚假说作为一种新的地球系统观的意义在于，它能直接或间接地帮助回答当今人类所面临的生态问题和世界观问题。首先，全球生态环境恶化是人类当今面临的最严重的问题之一。盖亚假说启示人们，环境问题是涉及整个地球生态系统的问题，要解决这个问题不仅需要用系统的或整体的观点和方法来认识人类生产和生活方式对生态环境影响，而且需要人类共同行动。同时，盖亚假说也从道义上启示人们，包括人类在内的所有生物都是地球母亲的后代，人类既不是地球的主人，也不是地球的管理者，只是地球母亲的后代之一。因此，人类应该热爱和保护地球母亲，并与其他生物和睦相处。
第二，盖亚假说对于回答生命的目的问题给人们新的启示。生命的存在依赖于整个地球生态系统，它是一个能进行自我调节的负反馈系统，其目标就是体内平衡的状态，即各种生物及其环境和睦的平衡状态，从而使生命在全球范围内健康成长。人类只有与盖亚和睦相处，致力于她的健康，欣赏她的美丽和报答她的恩惠，才能发现生命的意义。
第三，盖亚假说对于回答所谓宇宙设计问题给人们新的启示。盖亚假说认为，地球本身有一定的次序和结构，从而形成一种体内自动平衡态。这只是事物进化的一种方式，而不需要有意的设计。同样，宇宙本身也有一定的次序和结构，而不必需要有意的设计。
四、盖亚假说的启示
盖亚假说的发展及其影响能给人们许多启示，下述三点特别值得注意：
第一，盖亚假说作为一个具有科学革命意义的假说提出后，在很长一段时间里为现存的科学建制不能接受，通过提出者百折不挠的努力，才逐渐被科学界接受。拉伍洛克自从60年代中期产生盖亚思想以来，30多年来孜孜不倦地为推进其假说而奔走、呼吁和开展研究，才使其假说在科学界影响越来越大。在其论文不能在《科学》和《自然》等重要科学刊物上发表的情况下，没有泄气，而是寻找其它途径宣传其假说。例如，利用各种学术会议，宣传盖亚假说。拉伍洛克知道，这些会议的组织者让他到会讲盖亚假说，主要是为了调节一下会议沉闷的气氛。但即使这样，他也去讲，这毕竟是传播盖亚假说的一种途径。
第二，盖亚假说作为一个跨学科性的新假说提出后，要得到发展，需要与相关专业的科学家合作。拉伍洛克提出盖亚假说后，找到生物学家马古利斯，并长期合作，共同推动盖亚假说的研究与发展。这种不同学科、志同道合的研究者长期合作，对盖亚假说的发展也是极为重要的。特别难能可贵的是他们的这种合作研究是在长达20多年的时间里得不到美国国家科学基金和其它基金资助的情况下进行的（当然，这一情况也说明，现存的以学科为基础的科学基金资助体系，不利于资助跨学科的研究）。
第三，盖亚假说作为一个具有重大科学意义的假说的提出和发展，必然引起人们观念的变革，从而在一定意义上指导人们的行动；但盖亚假说本身并不是判断人们的行为正确与否的最终的道德标准。盖亚假说本身体现了一种新的地球系统观，西方一些生态环境保护组织和绿党也纷纷把它作为环境保护运动或生态抵抗运动的理论基础或精神动力。这的确在一定意义上支持和促进了生态环境运动。但盖亚假说本身并不能解决人们应该如何对待生态环境的最终的道德判断问题。事实上，在一些生态环境保护主义者利用盖亚假说来说明其行动的合理性的同时，一些以盈利为目的的企业家也利用盖亚假说来为其浪费资源和污染环境的行为辩解。他们说，既然地球是一个具有自动调节能力的巨大系统，那么，多利用一些资源或多排放一些污染，地球会利用其自我调节能力，使其保持平衡态。
针对这种辩解，一些盖亚假说研究者，包括拉伍洛克本人也对地球生态系统的自我调节能力进行计算机模拟研究，但这种模拟研究很难得到公认的结果，更不要说地球生态系统自我调节的真实能力究竟有多大了。但即使得到真实调节能力的数据，也不能说服这些企业家。他们会说，如果污染超过地球系统的调节能力，这个系统又会达到一个新的平衡点，使这个系统恢复自我调节能力，等等。
由此可见，盖亚假说与其它重大的科学假说或理论一样，尽管能使人们对自然界有新的理解，也能为人们行为的合理性提供一定意义的支持，但其本身并不是人们行为的最终的道德标准。要解决人类所面临的生态环境问题，还必须考虑人文和社会等多方面的因素。
〔收稿日期〕1999年6月24日