盖亚假说和地球表
自然杂志 26卷3期
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算法以及大衍求一算法等等,无一不具备构造性和机械化的特征;在几何问题的处理上,并不追求逻辑的完美,而是凭借巧妙的构图进行“析理”,以达到解释、说明乃至论证的目的,这也是中国几何学中的不少成就长期居于领先地位且在今日仍然具有魅力的一个重要原因.
(2003年6月5日收到)
为常数项,8×152x为一次项,4x2为二次项. 以条段图验证:由4x+152=πd组成的正方形等于原圆田的十二倍,在这个方形中,含有十六个方池,八个
)和一以方池边长与152步组成的长方形(即图中的“从”).在个边长为152步的正方形(即图中的“不及幂减去”
这个扩大十二倍的圆田中要减去十二个方池(图中的
)才等于十二倍真田面积.即“少”
16x+(8×152)x+152-12x=12×8096
2
2
2
傅海伦 博士,教授,山东师范大学数学系,济南250014
1 周髀算经.载郭:书春.刘钝校点本算经十书.沈阳:辽宁教育出版
社,1998:32 九章算术.载:郭书春.刘钝校点本算经十书.沈阳:辽宁教育出版社,1998:95,483 吴文俊.吴文俊文集,济南:山东教育出版社,1986:75
5 [元]李冶.益古演段,载:郭书春主编.中国科学技术典籍通汇・数学卷(第一册),郑州:河南教育出版社,1993:875,891,891
化简后显然与方程(1)完全相同.这便起到了证明天元术所得方程的作用.如果把用天元术得到的方程式看作是一种演绎的推导“,演段”方法是几何验证,那么这与刘徽证明定理使用的方法是一脉相承的.这也说明宋元数学是在传统数学的基础上发展起来的.
总之,中国数学的突出成就集中反映出数学家对数学对象构造的智慧.中国古算的算法体系是建立在长期的以算筹为算具的筹图模式构造基础上的科学传统,利用筹算表达的各种数学关系和算筹的纵横捭阖,数学家就可以在筹图上方便地解决许多计算问题.在中国古代数学中,除了“方程”算法之外,各种比例算法、更相减损算法、连环求等算法、OnConstructiveProofofChineseTraditionalMathe2
maticsFuHai-lun
Ph.D.,Professor,Departmentof,ShandongNormalUniversi2ty,Keymathematics,algo2,丁贤法 韩 广 (湖南师范大学资源与环境科学学院)
关键词 盖亚假说 生物反馈 地球表层 控制系统
盖亚假说认为地球是一个由生物负馈自动调节的控制系统,地球自身是一个活的整体,活的部分就是地球表层.生物整体不仅适应环境,同时也改造了环境,使环境条件稳定和最优化,有利于自身生存.尽管这一假说引起了争议,限于时空尺度还无法证明,但它却提供了理解地球表层物质之间特别是生物和环境之间复杂联系的一种思维方式,对地球表层系统的研究是有启发性的.
的,无化学反应;地球大气则远离化学平衡态,O2和CH4
一、引 言
20世纪60年代,英国大气学家JamesLovelock在寻
很容易产生反应,生成CO2和H2O.Lovelock断定这两种气体一定处于不停的循环之中,循环的动力就是生命活动.从太空看地球,特别是和我们的邻居比较,生命过程的总效应使地球看上去像个活的实体.Lovelock意识到地球本身是一个超级生命的有机体,命名为盖亚(古希腊神话里的大地女神),盖亚假说就这样产生了.把盖亚或地球比作美国西海岸的一棵红杉树,则更容易理解,一棵红杉树只有在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,地球的绝大部分是死的,只
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找火星生命证据的研究中发现,生命的一般特征是吸取能量和物质而排出废物.生物体会用行星大气层作为这种循环交换的媒介,就像我们吸进O2呼出CO2一样,然而火星大气层和金星的一样.其中约95%是CO2,只有少量氧气,缺乏CH4,而地球大气约77%是N2,21%是O2,还有相当数量的CH4.因此火星大气层在化学上是死寂
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有生命存在的地球表层是活的[1].关于地球表层的范围和边界,有不同的划分方法,自然地理学家关注的是作为人类生存家园的那部分,即自然地理环境,如前苏联地理学家伊萨钦科把从对流层顶到沉积岩石圈的底界
(约地面下5～6km)作为其范围;我国牛文元则将它划
ZiranZazhi Vol.26No.3
一生物生长,生物细胞以碳为基础的化学成分及脂膜结构决定了可忍受的气候和化学范围.行星上的各种生命表现型都会产生可遗传的、能被忠实复制的变异,它们生长,互相争夺资源,自然选择决定那些能大量繁殖后代的生命形式主宰环境[4].
为一个较小的空间范围:上限为地表向上50～100m、空气运动以湍流为主的近地面行星边界层,下限为太阳能量影响地表的终止线(其深度在陆地为20～30m,在海
[2]
洋可达100m),并称作“自然地理面”;周俊认为,应将
三、盖亚假说的主要证据
(1)生物可改变大气的组成成分,并维持其相对平
其范围拓宽为从软流圈到大气圈的最外层[3],尽管地球深部和大气圈外层活动都对地球表层产生影响,但太阳和月球也对地表过程(如潮汐等)产生深刻影响,而它们不属于地表,因此似乎不必对地表系统进行拓宽,对此地理学家陈传康认为不应作硬性的规定,应视研究问题的性质而作相应的变化
[2]
衡.在地球形成初期,原始大气主要由CO2、N2、CH4和H2等组成,处于还原态,随着海生藻类等原始植物出现,其光合作用产生的O2逐渐增多,距今约21亿年时,大气环境从还原态变为氧化态,嫌氧生物转变为喜氧生物(这个转折点称为尤里点,即大气氧浓度增至当前浓度的千分之一).现代大气主要由N2和O2构成,O2约占21%,这些O2是植物光合作用的产物.如果O2含量高于这一比例,,N2所稀,主细菌分解生物残体来维.
(2)如果不是生物活动(主要是细菌等分解者把动
.在地表物质系统中,生物圈
处于核心地位,生命有机体从无机界产生又回到无机界,这一循环过程对地表系统的进化有重大作用.盖亚假说认为世界不仅仅为生命所装饰,而事实上为生命所控制,尽管限于时空尺度,还无法直接证明这一假说,.
植物的排泄物和死亡残体分解为简单的无机物释放到
二、盖亚假说的核心观点
盖亚假说认为地球是个由生物反馈而实现自我调节的活的整体,生物反馈由达尔文的自然选择(或最适者生存)产生,主要是负反馈.其结果是抑制地表系统偏离原状态.环境反馈可分三个等级,从高到低依次为:无机(纯粹的地球物理和地球化学循环)反馈,生物生长繁殖反馈和自然选择反馈,后两者属生物反馈[4].生命活动极大地改造了环境,使环境条件尽可能优化而适于自身生存.地球上的生物,特别是细菌,与地球的无机系统相互作用,无意识地稳定了全球的环境;生物控制了地球表层的温度和物质构成,如果地球大气的物质构成、温度和氧化态,因地球外部的或其他原因的干扰发生变化,生物会通过生长和自然选择反馈来调节环境,使环境条件有利于自身生存.总之,生命负责维持地球气候等环境要素的稳定,如果地球是艘太空船,生命就是领航者.
Lenton认为生物调节环境是由其内在特性决定的.
环境中去),大气中的一些气体成分如CH4和H2在几十年内就会耗尽.
(3)地球大气层里的CO2含量远低于化学上所允许
的含量,如果生物圈消失,CO2含量会变为现含量的30多倍,现在大部分的CO2被固定在生物有机体内.
(4)过去38亿年来,太阳的辐射能量约增加了25%,而历史气候数据却显示地气系统的平均温度仅以5℃的幅度距现在平均温度约15℃涨落.模拟气候的结
果显示,如果太阳的辐射能量削减25%,全球平均温度将在-10～-52℃之间,此即“弱早期太阳佯谬(early
faintsunparadox)”,这表明当太阳发光度不强时,地球大
气层里的CO2和CH4等温室气体含量一定很高,产生了超级温室气体效应,维持了温暖的气候.当太阳辐射输出能量逐渐增加时,一定有某种机制把大气层里的CO2气体移了出来,这就是植物的光合作用,大气里的CO2转化成了有机化石物质(如天然气、石油、煤、石灰岩和泥炭).
(5)在土壤形成过程中,生物是必不可少的因素之一(另外有气候、地形、母质和时间等),生物也是土壤有机
一是生物为了维持内在的低熵,都要通过吸收自由能量放出高熵值的废物来改变环境;二是生物体的生长和潜在的指数繁殖为生命提供了内在的正反馈,即生命越多,产生的生命也越多;三是对每一个环境因子来说,都存在一个水平或范围,在这个水平或范围里,最适宜某
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质和肥力的来源.生物都具有寻求营养元素的性状,从而加强了岩石的风化,土壤的形成主要始自地衣、苔藓植物在岩面的殖居.这种加强作用也导致大气中CO2含量减
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logicalGaia),生命使地球的物理和化学环境条件最优化,
少,从而使气温下降,进而限制生物生长,属于负反馈.
(6)硫是从海洋迁移到陆地的,起先人们认为是含H2S的海水的蒸发,但实际是含二甲基硫的海洋浮游生
以最大程度地满足自身的需要(optimizingGaia),对此有较大的争议,称之为强盖亚学说.
盖亚假说被批评为目的论,即盖亚具有意图,要从
改变环境中获益.对立的观点认为如果地球是艘太空船,生命可能不只是对环境被动适应的旅客,但其持续和进化纯粹是偶然现象,是盲目的,由物质的随机相互作用操纵着.于是Lovelock等人发展了一个数学模型———雏菊世界(daisyworld)来反驳.雏菊世界是个简化的行星,像地球一样绕太阳公转,太阳输出的能量总是不断增加.在这颗行星的土壤里有成百上千万颗种子,但只有两个品种:黑雏菊和白雏菊,最适宜的生长温度都是22.5℃,生态幅度是5～40℃.起初行星上的温度很低,种子不能发芽,随着太阳发光度变大,行星温度升到5℃,种子开始发芽,白雏菊反射率为0.65,这使它们比周围环境温度低,限制了生长,相反,黑雏菊反射率为0.15,吸取了较多的太阳能量,使周围环境暖和起来,促进了生长和繁殖,.黑雏,,当太阳进一步变热,,,同时也使地球凉,这两个物种根据达尔文自然选择理论互相竞争,这颗行星的温度由它们种群数目的涨落自动调节.当太阳发光度继续增加时,则只有白雏菊能够生存,最后由于温度过高,生命消失了,自动调节系统崩溃了,见图
1.
物产生二甲基硫酸盐(DMS)作为分解产物,由海陆之间的水气循环移至陆地,硫是陆地动植物必需的营养元素,因此生产DMS的浮游生物促进了陆地生命的生长,后者残体所含的有机物质通过地表和地下径流迁移到海洋,促进了产生DMS的浮游生物的生长.DMS被蒸发到大气层中后,一些可转变为硫酸和甲基硫酸,它们是形成云的凝结核,更多的云层反射了太阳辐射而使地表温度下降,从而限制了浮游生物的生长.
此外,生物(包括死亡的残体)作用于地球表层无机系统的事例很多,如水土保持、气候调节和稳定环境等,因人类过度燃烧化石燃料排放的CO2而造成的“碳的失汇”,就被认为为海洋生物群落所吸收[5],但也可能为横跨亚欧大陆和北美北部的北方针叶林所吸收.
四、对盖亚假说的批评和讨论
盖亚假说可分为两个层次:aia)盖亚(strongGaia).(fluentialGaia),的,互相影响的(coevGaia),这些观点在其他地球科学中早已有之,无争议,故称之为弱盖亚学说;后者认为生物圈可视为一个地球巨型生理有机体(geophysio2
图1 雏菊世界模型(左图为行星温度随太阳发光度升高的变化曲线,其中虚线A表示无生命时的变化曲线,
实线B表示有雏菊时的温度曲线;右图为黑、白雏菊覆盖率的变化曲线)
[4]
Lovelock希望用这个模型来说明自动调节是无意识的,以后又作了许多改进,引进了反射率介于白雏菊和黑雏菊之间的灰雏菊等,以及食草动物和食肉动物,目的是为了验证生物种间关系(如竞争、捕食)对调节环境的影响.但雏菊世界毕竟是个过分简化的均质模型,而现实地
球表层是异质的,存在从赤道到两极的纬度地带性分异,以及非纬度地带性分异,如海陆分异、垂直分异等,各地的环境背景值都不相同,两者相差甚远.另外,盖亚假说主要是关于生命对地球化学元素流动和循环的作用,如提高循环速率等,而雏菊世界模型却不是.
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盖亚假说认为行星尺度上的生物反馈调节环境可由生物个体水平上性状的自然选择引起,但自然选择仅偏爱那些比其他个体具有繁殖优势的性状,即使它们对环境不利.在涉及个体性状的自然选择反馈上,盖亚假说以前述雏菊世界中雏菊的颜色为例,但Schneider指出:实际地球上,植被反射率对气候的影响是很小的,因为云和雾遮盖了大部分地球表面,植被对温度的响应远比雏菊世界小,而且较高的温度使森林向极地扩展,使地球表面反射率变小,从而放大了变暖效应.Kirchner认为生物都要消耗资源,同时排泄废物,因此那些使生物体更好地消费资源或排泄体内废物的性状对个体有利,尽管它们降低了环境质量,却受到自然选择的偏爱,这样的性状很多,如树木通过长高以获得阳光,却荫蔽了它们的邻居;一些树木如桉树和黑胡桃还通过落叶和果实使其周围土壤有毒,来阻止潜在的竞争者[6].
生物反馈不总是对环境起稳定作用,相反生物正反馈使环境更加不稳定,Kirchner列举了与全球变暖相关的生物反馈,有负反馈:大气中CO2浓度升高,会刺激植物的光合作用,使更多的碳储存在生物量里;温暖也导致干旱,使中纬度植被更加稀疏,范围,馈:,土壤里的有机碳;,导致老的大树被幼小的植物代替,导致森林生物量中碳的净释放;变暖也可能使耐旱植物增多,沙漠中灌木地面积扩展,导致行星反射率和大气尘埃浓度下降;变暖可能导致苔原为针叶林取代,降低行星反射率;变暖可加速土壤中N2O和CH4的释放;变暖可导致高纬度泥炭地里CO2和CH4的释放———这些正负生物反馈叠加的后果很可能增强了全球变暖的幅度!例如历史气候数据显示,大气中CO2浓度只在1.8×10-4～3×10-4之间振荡,而现在浓度已高达3.7×10-4.因此人类过度排放的温室气体没有得到生物反馈的自动调节.但这也可能是人类活动降低了植被覆盖率的缘故.Kirchner认为,使环境更适宜自身的生物会获得选择优势,更大的影响环境而进一步发展,这是正反馈,内在上是不稳定的;如果一个正在生长的种群使环境限制了生长,此为降低环境条件的起稳定作用的负反馈,因此盖亚假说中使环境条件优化的负反馈是个矛盾[6].
纯粹的地球化学和物理反馈也可能维持适宜的气候.例如,硅酸盐的风化:随太阳发光度增加,大气中的
CO2和水结合产生弱碳酸,加强了对硅酸盐的风化,把大
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(CaMg[CO3]2)等沉积岩中,从而减少了温室效应.但硅酸
盐风化比较缓慢,似乎不足以维持38亿年来地球气候的稳定.现已证实生物加强了岩石的风化,见前述证据.
五、结 论
盖亚假说显然是将地球表层视为一个控制系统,生物整体是这个系统的关键部分,主宰了从太阳能在地表的固定转化到物质循环和信息传递等一系列地表过程.经过30多亿年的进化,生命和非生命环境之间已形成了复杂的反馈联系,几乎所有地表物质体系都经过生物反复加工.人类作为生物圈的一个高级成员,借助工具对环境的影响和作用日益变大,但仍受自然规律的严格制约,水热条件较好的陆地地表仍是基本生存空间.人口剧增、污染加剧、无节制的生活方式和战争等已引起了局部环境的严重恶化,大自然或盖亚既是仁慈的,也是残酷的,,,它船的领航者,而不是成为束缚我们思想的偏见.
(2003年8月5日收到)
丁贤法 硕士生,湖南师范大学资源与环境科学学院,长沙
410081
韩 广 教授,湖南师范大学资源与环境科学学院,长沙
410081
1 肖广岭.盖亚假说———一种新的地球系统观.自然辩证法通讯,2001;1:87-912 刘南威,郭有立编著.综合自然地理.北京:科学出版社,1998:32-363 周 俊.关于地球表层与地球表层学.自然杂志,1999;21(4):187
-1904 LentonT.M.Gaiaandnaturalselection.Nature,1998;394(7):439-447
5
李宝,童耕雷,郑雪松等.全球碳循环的模式研究与生物的调节.自然杂志,2000;22(4):214-2166 KirchnerJ.W.TheGaiaHypothesis:fact,theory,andwishfulthinking.
ClimaticChange,2002;52:391-408
GaiaHypothesisandtheResearchofEarth’sSurfaceLayer
DingXian-fa①,HanGuang②
①GraduateStudent,②Professor,CollegeofResourcesandEnvironmental
Sciences,HunanNormalUniversity,Changsha410081
Keywords Gaiahypothesis,biologicalfeedbacks,Earth’ssurfacelayer,controlsystem
气中的碳固定在石灰岩(主要成分为CaCO3)和白云石
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