发达国家与发展中国家之间的关系也就随之出现紧张。就局部而言，对引发污染的
燃料实行征税是鼓励环境保护、开发或使用洁净替代燃料的一种积极措施。但征税
会引起能源价格的上升，后者对穷人的影响远较富人为大。面临经济困难的人们通
常优先考虑经济增长，而不是环境保护。我们的新闻媒体上已经出现了这类环境与
发展、利益与效率相平衡问题的报道，这类问题在未来的几十年内将引发更大的争
论。另一个被称为“代际平衡”的问题也面临同样情况：我们今天对经济增长的渴
望，以及明天想让后代过更富裕的生活的愿望，将使我们自食其果，并给后代遗留
下一大堆环境问题，而他们却是无法参与今天的决策的。
今天世界的人口大约在55亿到60亿之间，其中10亿人生活在营养缺乏的边缘，
每年有数百万人死于与营养不良有关的、原本可以避免的一些疾病。这些人要求提
高生活水准，我们也理应帮助他们提高生活水准，但如果由此采取的措施没有考虑
到对地球的影响，那么这些措施就不能说是合理的，甚至连这些论争的理论依据也
是值得讨论的。 社会学家罗宾·坎特 （Robin Cantor） 和史蒂夫·雷纳（Sieve
Rayner）曾注意到，如同其他人类价值观的冲突一样，“环境论争可以理解为人们
各自援引木同的有关大自然行为的迷误来支持不同的政治和道德信仰的结果”。因
此，要全面阐明环境与发展这～两难矛盾的价值观问题，必须在自然科学和社会科
学中揉进人文研究的成果。随着我们不断增加对控制地球环境的各个系统的了解，
系统之间错综复杂的相互关系以及上述问题的解决办法将会明朗化。
在本书中，我会讨论局部环境问题及其对全球环境的影响，也会讨论全球环境
问题，后者事实上也影响着局部环境。在我们称为地球的这个系统中，所有事物都
是相互联系的，因此，研究环境是非常迷人的。而且，虽然各个变量之间的关系可
能捉摸不定，但其总体效果却显而易见。显然，我们尚不知道所有答案，甚至连所
有的重要问题都还没有弄清！要对全球变化的科学和管理问题进行充分评价，尚需
要一些跨学科研究队伍数十年的努力。但我们已经取得了相当多的认识，而且可以
做很多事来降低风险。具有科学知识和政治变革的决心的公众，能够应付我们面临
的许多困难。我撰写本书正是基于这样一种愿望。
在我们展望气候和生命都充满阴影的未来之前，有必要回溯一下我们的生物地
理学上的起源：年轻的地球开始孕育生命的久远的太古代。
第一章 有机的与非生命的地球
一种动态的结合
如果有机会乘坐时间机器“作一次旅行，去对远古时代地球上自然发生的各种
变化进行测年和测量，我想，大概没有一位活着的地球科学家会不马上抓住这一机
会的。地球科学家可以超越数千年时间，观察地球表面大陆的漂移，这种移动不仅
改变了大陆的位置及大气成分，而且使它们携带的生命也发生了变化。地球科学家
还可以监视影响生命进化的空气、陆地和水的变化。只要适当注意，他们还能检测
到生命反过来是如何改变了空气、陆地和水的性质的。有机物与无机物是互相联系
的，具体表现在地球化学与生物学、地质学与气候学的关系上。在时间机器中，一
切都在运动着，在不停地变化着，就如一张由生命和无生命单元的动态结合所构成
的巨大、错综复杂并且变化着的网。如果没有非凡的想象力，一般的观察者是不会
轻易理解这一图案的，除非他或她是一种怀着对地球的好奇的群体的一员，这一群
体的人们使用一些精致的方法，来揭示远古以来曾出现过的大量的各种图案。这一
群体以及他们所采用的方法，当然就是我们今天所称之地球系统科学的主要构成部
分。
这种动态过程发生在地质时代。地质时代是一种几乎难以想象的时间跨度，在
这里，1000年仅仅是一瞬间。威尔斯（H G．Wells）《时间机器》中的人物可以看
到几个世纪以来文明的演变；在一个非常坚固、可以回溯至十分久远时代的装置里
旅行的生物学家或地质学家或气候学家，可以观察到有机体的进化过程，以及它们
与地球之间的相互关系。
一段特别值得一游的时期将是生命的萌芽时期，那就是大约35亿年以前的所谓
的太古代时期。在那里，我们或许会解决一个重要的科学谜案，这一谜案不仅包含
了地球系统科学，而且处在围绕全球变暖和我们针对地球的一些无意识实验的危害
这一现代科学论争的中心。我们会在那里看到什么？
我们将会看到太阳从天空云彩背后冉冉升起，看到高耸的、喷着烟雾的火山，
看到海浪在轻轻拍打着既无树木，也无杂草的瘠薄的平地。海岸线上凸立的是一些
古怪的、～米见方的、蘑菇状的石块。如果没有保护眼睛和皮肤的装置，我们不敢
离开我们的时间机器，因为外面紫外线辐射强度极高，高到足以对陆地或空气中所
有已知的生命的生存构成威胁。我们还必须佩戴氧气面罩，因为大气主要由二氧化
碳气体组成，虽然存在一些氧气，但其含量大约只有今天的一亿分之一。大气温度
高达38C， 但正午的太阳比起我们所熟悉的全新世间冰川期（我们生活的时代）的
太阳似乎要暗淡一些，而且显得要小一些。我们的时间机器外部的太阳能接收面板
显示接收的能量约为600瓦， 这大概是我们今天所接收的太阳能的四分之一。35亿
年以前的太阳要比今天的太阳小。原因何在？当我们将核物理学引入太阳系各种作
用的研究中来时，我们发现与它的大多数同类星体一样，太阳也随着把氢转变为氮
的热核反应而变得越来越大，其亮度也不断增加。大多数科学家相信，自地球诞生
以来的大约45亿年间， 太阳的发光度增加了约30％，其中有5％是在过去到乙年间
增加的。 就是在这6亿年间，生命快速进化，在我们今天挖掘到的岩石中留下了无
法洗去的化石印记。超级温室效应
如果将进入地球的太阳能削减25％左右，大多数气候学家会毫不迟疑地认为这
将使我们陷入严寒之中。但是，在太古代，气候明显温热，而且没有冰冻天气——
请记住， 我们的时间机器的室外温度计所给出的读数是暖烘烘的38C。这一疑难问
题就是众所周知的“弱早期太阳佯谬（early faint sun Paradox）”。在 1970年，
康奈尔大学的卡尔·萨根（ Carl Sagan）和乔治·马伦提出了
一种解决这一疑难的观点：一种超级温室效应。他们认为，甲烷和氨这两种气体能
够在地球大气层的下部非常有效地俘获红外辐射，而太古代可能有大量的甲烷和氨，
它们俘获的红外辐射足以弥补太阳辐射的不足，从而保持一种温热的气候。批评者
认为上述观点是怪诞的。他们指出甲烷和氨是异常活跃的气体，而且在大气圈中的
寿命较短，因此要取得上述效应，就必须不断地向大气补充这两种气体（一般假定
是生物对之进行补充入果真如此，太古代又如何能够聚集起足够数量的甲烷和氨以
使地球保持足够的温热来维持生命的延续？我们对此一无所知，而这也是为什么时
间机器对那些热衷于探究地球奥秘者来说，是如此奇妙的一种想象的原因之一。
虽然对太古代时期的甲烷（CH。）和氨（NH。）是由生物过程还是由与生物体
无关的其他过程产生这一问题，人们至今仍莫衷一是，但萨根和马伦的基本思想已
被大多数学者接受。然而，当代研究表明主要的超级温室气体是CO。，而不是CH或
NH3。 但上述理论的阴影在今天仍笼罩着我们。如果太古代确实出现过萨根他们所
推测的那种现象，那么这种现象会否再现？
要回答这一重要问题，我们必须了解影响大气圈成分和结构的各种过程。
在科学上，了解的增多并不总是意味着肯定性的增加，至少在一个假说的早期
是如此。对一个问题的解决常常会产生另一个新的问题。这里的问题是：为使太古
代保持温和的气温，如果当时的CO。含量数百倍于现代，那么，在此后的30亿年间，
随着太阳发光度增加了大约25％，又是什么作用使得地球气候没有相应出现急剧过
热的情形？
这一疑难问题的答案（事实上只是一些假说）通常有两种（有时是矛盾的）类
型：一种理论认为是通过无机地球化学过程带走一定的CO。来达到对温度和CO。含
量的控制； 另一种观点认为COZ的带走是由生物过程来控制的；也有人认为两种过
程都起作用。木管是哪一种观点，它们都是以一种被称为负反馈的作用为基础的。
我们这些热血动物都具有起稳定作用的负反馈机制。我们拥有生理学家所称之
体内平衡系统。如果太热，我们通过出汗来达到一种负的或稳定的反馈。如果太冷，
我们会颤抖，这是一种提高新陈代谢水平以产生热量的力学行为，它也是一种稳定
的反馈。
在气候系统的众多反馈过程中，有些起着稳定作用，相当于一个恒温器，有些
则起着降低稳定性的作用。例如，如果地球变热起来，雪和冰将会出现什么后果？
某些会融化，这种融化的结果将是以绿树或棕色沙漠或蓝色海洋取代原先明亮、洁
白、高反射的冰雪告终。绿树或棕色沙漠或蓝色海洋的颜色要比雪原深，因此将吸
收更多的阳光。如果我们能够以某种方式使地球变热井因此使一部分雪融化，地球
将吸收更多的阳光，而这种反馈机制将会加速变热过程。这是一种正反馈。但是，
如果加热引起更多的水发生蒸发并形成白云，这将会有更多的阳光被反射回太空，
从而降低地球的热量，这就是一种负反馈。
让我们再回到有关Cz含量降低机制的争论。针对地球化学过程控制大气CO。
含量这一模型， 1980年， 詹姆斯·沃克 、 保罗·海斯（ Paul
Hays） 及詹姆斯·卡斯廷这几位当时都在密执安大学工作的学
者，提出了一个风化一气候稳定反馈系统，这一系统被他们的同事们称为WHAK系统
（他们几位名字的首字母之组合）。这几位学者指出，伴随气温的变暖，有更多的
水蒸发，降雨以及水土流失的增加使水文循环更具活力。
WHAK机制运作的时间尺度是数千万年至数亿年。它本身并没有试图来描述短周
期的CO。 变化，这种变化可以解释恐龙时代的极热，以及2万年前本次冰川期的极
冷（后面将要对此予以评述）。如果大气中有高的CO。含量，CO。与雨水的结合产
生碳酸，降雨的增加将使地表的矿物遭受大量碳酸的风化作用。在WHAK系统所提出
的风化作用中，钙镁硅酸盐将与大气中的碳结合，降低大气的CO。含量，并将碳固
定在碳酸钙（石灰岩）和碳酸镁（白云石）等沉积岩中。大气CO。含量的减低意味
着温室作用的减弱，因此，通过这种无机负反馈过程，使地质历史时期由太阳发光
度增加所引起的温度升高得到抵消。盖亚假说是真的吗
太古代随着太阳发光度的增加，大气具有高的CO。含量，第二种假说认为＊0。
的降低与生物学过程有关。英国科学家兼作家詹姆斯·洛夫洛克
曾提出了一种生物负反馈机制的设想。他试图解释生命如何在全球规模上作为一个
自动负反馈系统发挥其作用。在他的邻居、作家威廉·戈尔丁
的建议下，洛夫洛克借用希腊神话中大地女神盖亚的名字将自己的假说命
名为“盖亚假说”。科学家们起初并没有认真对待这一假说，而且至今仍有一些人
对它持批评态度。这一假说认为地球的大气圈是生物自身的一个不可缺少的、有规
律的、必然的组成部分，千百万年以来，生物控制了大气圈的温度、化学成分、氧
化能力以及酸度。“盖亚假说”的拥护者认为生物对地球的环境起着积极的控制作
用。洛夫洛克的机制基于下述这样一种假定：即发生光合作用的微生物（如浮游植
物），易于在CO。含量高的环境里繁殖，因此这些微生物将会迅速地（指在地质时
间框架内） 从空气和海洋中带走C。，转变成碳酸钙。当它们死亡之后，这些
碳酸钙沉积物会下沉至海底。
洛夫洛克和微生物学家林恩·马古利斯（I。 gun Margulis）多年来一直坚持
认为，如果不是生物在起作用，地球的大气圈将是CO。占绝对主导地位，地球与其
姐妹行星火星和金星将没有两样。 他们指出，这种以C。为主的大气圈产生～
种强大的温室效应，使地球的温度比现今要高出60C左右，足以烧焦各种生物。
上述假说的反对者的反驳意见是，在地球上出现生物后的大部分时间里，并没
有进化出浮游植物，既然如此，这一CO；消耗机制又怎能被用来解释“晚近”（即
过去几亿年）之前的“弱早期太阳作谬”？“盖亚假说”支持者对此的一种回答是，
推测自生命开始以来即存在于海水之中的藻类可以分泌能固定一些碳的固体物质。
确实，我们在太古代海滨所见的蘑菇状岩石就是一些叠层石，它们是生活在自身分
泌的含碳的坚硬物质中的有光合作用的蓝绿藻的堆积作。今天人们仍能找到这些游
绿藻的后代，它最常见于澳大利亚西部的沙克湾。
叠层石的进化历史较末代恐龙的长50倍。然而，人们并没有定量地证明，地质
历史时期曾经存在足够多的这类生物体的结构，它们消耗了大量的CO。。因此，叠
层石的作用仍是～个尚待解决的问题。
有时候会出现～些新的理论来调和一些互相对立的假说［这些假说即为哲学家
托马斯·库恩（Tho。 as Kuhn）所指之对立的范例j。在我看来，