我1988年，在美国地球物理联合会主办的关于盖亚假说的会议上，我们第一次见到了詹姆斯·洛夫洛克。提醒你一下，盖亚是希腊神话中的女神，是大地母亲的化身。盖亚假说认为，生命或盖亚在维持地球的宜居性方面发挥着关键作用，包括富含氧气的大气、海洋的盐度和相对稳定的气候。在20世纪60年代末，洛夫洛克假设特定的控制机制需要反馈回路来确保稳定性。事实上，洛夫洛克最初把他的理论称为“地球反馈假说”，但在小说家威廉·戈尔丁(William Golding)的建议下，他将其改为更神秘的名称，戈尔丁恰好住在同一个英国小镇。
那时我还是一个年轻的科学家，我对地球的反馈机制有不同的看法。像大多数优秀的科学家一样，吉姆没有怨恨地接受了我的批评，但我们在这个问题上显然站在不同的立场上。盖亚假说对环境运动产生了巨大的影响，它鼓励人们从整体上看待地球，把它看作是一种保护我们的超级有机体，值得我们保护。不过，我不得不同意科学家福特·杜利特尔(Ford Doolittle)、理查德·道金斯(Richard Dawkins)和斯蒂芬·杰伊·古尔德(Stephen Jay Gould)的观点，即一个行星或行星生态系统不可能像单个有机体那样进化，也不可能发展到稳定地球系统的地步。随着吉姆著名的假设接近50周年，它具有持久的价值。但要了解地球的长期气候稳定性，我们需要超越盖亚。
现在，我说地球的气候是“相对”稳定的。这个限定条件很重要，因为包括我在内的许多地球科学家认为，在地球的历史上，海洋可能至少有三次完全冻结。这些所谓的“雪球地球”事件被认为发生在元古代晚期，大约6 -8亿年前，也发生在元古代早期，大约23亿年前。然而，生命在这些事件中存活了下来，而且有充分的证据表明，至少从35亿年前开始，生命就一直在地球表面存在。地球本身有45亿年的历史，是在太阳形成后不久形成的。
地球有人居住这么长时间，为什么会被认为是令人惊讶的呢？洛夫洛克和天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）在1972年共同撰写了一篇关于这一现象的论文，他们的兴趣在于，人们认为，在这段时间间隔内，太阳的光度显著增加。准确地说，45亿年前，太阳的亮度比现在暗了30%，从那时起，太阳的亮度或多或少呈线性增加。在所有其他条件相同的情况下，这意味着地球表面在大约20亿年前应该已经完全冻结。但事实并非如此——雪球般的地球冰川作用是短暂的，而记录最完整的两次事件发生的时间稍晚。尽管早期地球的地质记录相当零散，但地球历史上前半段的气候似乎比今天还要温暖。
Lovelock没有怨恨地接受了我的批评，但我们在这个问题上显然站在不同的立场。
要想让地球长时间适宜居住，必须有各种反馈机制在运作。具体来说，人们需要负反馈来对抗由微弱的年轻太阳引起的气候冷却。地球的气候系统包括许多反馈过程，有些是消极的，有些是积极的。两种最容易理解的气候反馈是水汽和冰反照率。(“反照率”一词的意思是反射率。)水蒸气是一种温室气体，有助于使地球表面变暖。它在大气中的浓度随地表温度而增加;因此，地表温度升高会产生更多的水蒸气，水蒸气反过来又会导致温度升高——这是一个正反馈循环。相反，较低的表面温度会导致水蒸气更少，甚至更低的温度。因此，水蒸气的反馈使微弱的年轻太阳问题变得更糟，而不是更好。 The same is true of ice albedo feedback: colder temperatures create more snow and ice, which reflect away more of the sun’s rays, and this leads to still colder temperatures.
地球的气候系统也必须包含负反馈循环。否则，这个体系将永远不稳定。最基本的负反馈回路是地表温度和发出的红外辐射之间的联系。随着地球表面的升温，它会释放出更多的红外辐射。但是红外能量的发射使表面冷却，所以这是一个负反馈。这种反馈是如此的基本以至于经常被忽视。但正是这一点使我们的气候每天或每年都保持稳定。
然而，红外辐射-地表温度反馈回路不足以在长时间尺度上稳定地球气候，因为该系统是受到太阳光度或亮度的长期变化的强迫，而正反馈回路放大了太阳光度或亮度。我们需要一个负反馈循环来长期稳定气候。
洛夫洛克早在20世纪60年代就意识到了这一点，并由此提出了盖亚假说。他知道二氧化碳和水是当今地球大气中的主要温室气体。他还意识到，由于全球碳循环的不平衡，大气中的二氧化碳水平可能随时间而变化。
Lovelock专注于有机碳循环，即植物和藻类通过光合作用利用CO2和H2O生成有机物（CH2O）和氧气（O2）。这一过程通过动物和植物的呼吸过程以及细菌的需氧衰变过程而逆转。考虑到这一周期，洛夫洛克假设地球早期大气中的二氧化碳水平要高得多，这就产生了额外的温室效应，有助于抵消微弱的年轻太阳。然后，随着时间的推移，太阳逐渐变亮，植物和藻类以合适的速率将二氧化碳从大气中排出，以对抗日益明亮的太阳。这就是盖亚。随着时间的推移，地球生物群调节着大气中的二氧化碳含量，稳定了气候，确保了它们自身的持续生存。
一个随着洛夫洛克假说的影响不断扩大，它受到了批评。生物群怎么知道消耗CO的速度2？这难道不需要对问题的智能洞察吗?而且，最能说明问题的是，自然选择的过程是如何作用于一群不同的生物的?
一些生物学家将盖亚假说描述为目的论，或将人类特征赋予无生命的物体。洛夫洛克试图用一个他称之为“雏菊世界”的虚构星球的寓言来反驳这些批评，这个星球保持稳定的表面温度，只是因为雏菊生长曲线的性质，在一定的温度下达到最佳状态。(洛夫洛克在英国乡村拥有一处庄园，长期以来，他一直为自己在农场里种植雏菊和其他本地植物的能力感到自豪。)他至少在一定程度上是正确的:如果一个星球的气候完全取决于黑色或白色雏菊提供的反照率反馈，那么它肯定可以稳定下来。事实上，在我在宾夕法尼亚州立大学教授的地球科学入门课程中，我们使用Daisyworld作为教学工具。然而，这并不一定意味着生物群能稳定地球的气候，而气候的稳定更依赖于各种温室气体的浓度，而不是地表反照率。
事实上，控制大气中CO的碳循环2浓度随时间变化，有几个部分。洛夫洛克强调有机碳循环，但忽略了无机碳循环，或碳酸盐-硅酸盐循环。大多数地球科学家认为无机碳循环在控制大气CO方面更为重要2在长时间尺度上，因为有机碳循环控制着大气中的氧气，也部分受其控制。
随着其影响力的扩大，该假说受到了批评。生物群如何知道吸收二氧化碳的速度?
以下是无机碳循环的工作原理。当大气CO2在雨水中溶解，产生碳酸H2有限公司3.．碳酸是一种弱酸——弱到我们可以在碳酸饮料中饮用——但它的强度足以溶解大陆上的硅酸盐岩石，这一过程被称为风化。硅酸盐风化作用的副产品在溪流和河流中收集，并被带到海洋中，在那里它们被某些藻类用来制造碳酸钙外壳，这个过程被称为碳酸盐沉淀。当这些生物死亡时，它们会落入深海。大多数贝壳会重新溶解，但有一些会被埋在海底的沉积物中。由于板块构造，海底不断移动，在某些板块边界处，海底被俯冲(被带到地幔中)，碳酸盐沉积物被加热，产生气体CO2在被称为碳酸盐变质作用的过程中释放出来。这个公司2然后通过火山，如圣海伦斯山或皮纳图博山，排放回大气中。
就像盖亚假说中的气候控制机制一样，碳酸盐-硅酸盐循环包含一个负反馈循环。硅酸盐的风化过程是依赖于温度的:温度越高，风化越快，CO的去除也就越快2从大气中。这一过程是缓慢的，因此在短期内它不会帮助我们应对全球变暖，因为人类正在增加大气中的CO2比硅酸盐风化作用能更快地除去它。但在地质时间尺度上，它可以极大地帮助稳定气候。
如果在遥远的过去，由于太阳光度的降低，地表温度较低，那么风化应该会较慢，而火山喷发也会降低2应该已经在大气中积累了。这一过程发生的证据是位于晚元古代冰川沉积物顶部的所谓帽状碳酸盐岩。这些被认为代表CO2在雪球地球事件期间在大气中形成的大气高有限公司2在地球早期的历史中，浓度会进一步增加，因为年轻的地球内部更热，因此火山活动应该更活跃。所以我们完全有理由相信CO2即使没有生物群的明确帮助，海平面也可能上升到足以抵消年轻时微弱的太阳，并使早期的地球免于冻结。
但我似乎自相矛盾了，不是吗?今天大多数碳酸盐的沉淀是由生物群完成的，特别是由钙质藻类，它们用碳酸钙来制造外壳。所以，生命不仅参与无机碳循环，也参与有机碳循环。事实证明，这种特殊的参与形式并不重要。钙质藻类大约在2亿年前才进化出来，所以在此之前碳酸盐沉淀是通过其他机制发生的。细节并不重要，因为控制CO去除率的因素2来自大气的是风化过程本身。但生物群在这一循环过程中也起着作用：陆地植物将二氧化碳泵出2并释放腐殖酸，进一步加速风化，吸收大气中的CO2. 我们争论这种影响有多大，但如果没有生命存在，今天的气候几乎肯定会变暖。因此，盖亚理论至少部分是正确的。但这并不一定意味着如果没有生命存在，地球将不适合居住。它只是说，一个无人居住的地球将是不同的，也许有点温暖，但仍然适合居住。
虽然洛夫洛克仍然相信盖亚，但他不认为她能把我们从愚蠢中拯救出来。
这个故事还有一个问题，我将简要地提一下。1甲烷4在遥远的过去，在大气臭氧层上升之前，可能更为丰富2大约在24亿年前。甲烷是一种温室气体，它可能会使气温升高10-12摄氏度。你需要大约30度的升温来解决微弱的年轻太阳问题，所以甲烷可以提供大约三分之一的解决方案。此外，甲烷几乎完全是由生物群——特定的产甲烷细菌，或简称产甲烷菌——产生的。在这个系统中也有反馈回路:过多的甲烷会导致它聚合(形成长链)并产生有机雾霾，就像我们在土星的卫星泰坦上看到的雾霾——通过产生反温室效应使表面降温。这会杀死许多产甲烷菌，减缓甲烷的产生，减少有机雾霾的数量。所以，气候控制周期的这一部分是相当盖亚的，尽管洛夫洛克和他的追随者没有强调这一点。
事实上，很可能是盖亚在O上升之前更加活跃2比她最近的表现要好。原因是，在地球历史的前半部分，甲烷是一种极其重要的温室气体，而在地球历史的后半段，气候主要由CO控制2和H2O.我需要指出的是，甲烷仍然是一种重要的温室气体，造成了今天1-2度(摄氏度)的变暖，而且它的浓度也随着CO的增加而增加2由于人类活动的结果，尤其是天然气泄漏和农业。所以，如果人类被认为是盖亚的一部分，那么盖亚目前正在破坏地球的气候稳定。洛夫洛克在他后来的书中也得出了同样的结论。
在我遇见洛夫洛克的那次会议几年后，我参加了另一次关于盖亚假说的会议。这是吉姆自己组织的，在英国牛津大学举办的。这是一个为期三天的会议，我在第一天就发表了演讲。我主要谈论的是碳酸盐-硅酸盐循环，给出了我在上面概述的论点，即盖亚没有必要解释地球的气候稳定性。但这是我在会议上说的最后一句话。演讲之后的那个晚上，我得了喉炎，接下来的两天我几乎说不出一个字来。我记得当时我感到很沮丧，但随着时间的流逝，我开始认为我不会说话可能是因祸得福。
尽管我们在科学上有所不同，但我一直很欣赏吉姆·洛夫洛克。无论是过去还是现在，他都是一个真正的新思想家，无论是在他的演讲还是在他的书中，他都雄辩地表达了自己的观点。我特别喜欢他把地球比作一棵巨大的红杉2当前位置一棵红杉百分之九十九是死的，只有外面薄薄的一层树皮是活的，然而这棵树本身肯定是活的。同样地，地球大部分是无生命的岩石，但其表面薄薄的一层——生物圈——是有生命的，或者至少充满了生命。难道我们不认为地球本身是有生命的吗?这是一个深思熟虑的类比，也是一个很好的例子，说明为什么盖亚假说吸引了忠实的追随者，以及为什么吉姆是全世界环保主义的灵感来源。虽然他仍然相信盖亚，但他认为她不会把我们从愚蠢中拯救出来。如果盖亚推动我们更好地理解我们是如何改变地球目前的气候，它将仍然是一个非常重要的假设。
James F. Kasting是宾夕法尼亚州立大学的行星科学家/地球科学家。他的工作重点是地球大气层和气候的长期演变，以及在其他恒星周围的行星上发现生命的可能性。
工具书类
1.要了解更多细节，请参阅我的书，如何找到适合居住的行星普林斯顿大学出版社(2009)。
2.洛夫洛克，J。岁的盖亚诺顿(1988)。
