全球生物地球化學循環(huán)：探尋地球新陳代謝過程的鑰匙

摘要：生物地球化學循環(huán)是地球系統(tǒng)科學的靈魂。它使得元素和能量通過龐雜的物理、化學、生物、地質過程在地球各圈層之間不停的轉化和傳輸，確保地球系統(tǒng)功能正常，維護地球環(huán)境的物理和化學平衡，構成了如同生命體般的新陳代謝模式。對碳、氧、氮、磷、硫等營養(yǎng)元素在地球圈層中的循環(huán)過程進行描述、示蹤和預測是生物地球化學循環(huán)研究的重要內容。

關鍵詞：生物地球化學循環(huán);地球系統(tǒng)科學

二十世紀60年代，英國科學家詹姆斯·洺夫洛克（James Lovelock）提出了蓋亞假說（Gaia hypothesis）。這個假說中地球被看作是一個可以自我調節(jié)、有生命的有機體，地球上的各個圈層相互影響、協(xié)同進化，共同維護地球生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。蓋亞假說作為一個具有科學革命意義的學說，在科學界引起了激烈的爭論，引發(fā)了人類有關自然哲學的思辯，其最重要的意義在于啟示人們從系統(tǒng)觀的視角重新審視我們所處的藍色星球。將地球當作一個有機系統(tǒng)來思考時，可以幫助人們更好地理解生物（人類）活動與地球環(huán)境之間的關系，更好地定位人類在地球生態(tài)系統(tǒng)中的位置，并影響人類未來的行為。美國國家航天局（NASA）于1983年提出了地球系統(tǒng)科學的概念，隨后美國地球系統(tǒng)科學委員會（Earth System Science Committee）在1988年出版《地球系統(tǒng)科學》一書明確提出地球物理化學過程與生物過程緊密聯(lián)系、相互作用、協(xié)同演化的觀點。

地球系統(tǒng)科學是以全球性的整體觀、系統(tǒng)觀和多時空尺度為思考方式來研究地球系統(tǒng)整體行為的綜合性學科。它將地球科學的許多分支學科（地質學、海洋學、氣象學、地理學、生態(tài)學、地球物理學、地球化學等）進行全方位、大跨度交叉融合，并與生命科學、化學、物理學、數(shù)學、信息科學以及社會科學緊密滲透。地球系統(tǒng)科學的產生和發(fā)展是人類為解決一系列諸如全球性資源、環(huán)境、生態(tài)等問題的需要，也是科學技術向縱深和多維發(fā)展的必然結果。它使得人類能更深刻地認識自身賴以生存的環(huán)境，更有效地防止和控制可能突發(fā)的災害對人類所造成的損害。

生物地球化學循環(huán)處于地球系統(tǒng)科學的智力核心，它使得元素和能量通過龐雜的物理、化學、生物、地質過程在地球的大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈之間不停的轉化和傳輸，確保地球系統(tǒng)功能正常，維護地球環(huán)境的物理和化學平衡，構成了如同生命體般的新陳代謝模式。為了便于理解生物地球化學循環(huán)的基本特點，我們可以從人們最為熟知的碳氧循環(huán)開始推演。比如，我們在家中喜歡養(yǎng)綠植和盆栽，既可修養(yǎng)身心又可凈化空氣，在這個小空間中就構成了一個最基本的碳氧循環(huán)：這些綠色植物通過光合作用消耗二氧化碳，產生氧氣，而我們則通過呼吸作用消耗氧氣，產生二氧化碳;當然除了產生氧氣，綠色植物還通過光合作用利用太陽的輻射能，將水和二氧化碳中的碳原子合成有機分子（碳水化合物），將化學能儲存起來;而呼吸作用又在有機體中將吸收來的有機碳和氧氣進行著合成放熱反應，釋放出化學能，有機體從而獲得生存、生長、繁衍所必須的能量，在此過程中又將二氧化碳和水排放到環(huán)境中。

接下來，我們把上面的例子推演至全球尺度上，這一碳循環(huán)就馬上復雜起來，它將涉及到地球四大圈層的物質和能量的交換以及循環(huán)。但我們還可以盡量概括成如右圖所示的幾個簡單過程：大氣中的CO2溶解到海洋中，即水圈和大氣圈的碳交換和平衡。海洋浮游植物進行光合作用，將溶解態(tài)的CO2轉化成有機物（CH2O）和O2，O2排放到大氣中。光合作用產生的CH2O大部分通過生物呼吸作用和細菌分解作用，又從有機物質轉換為CO2而進入大氣。CH2O中的一少部分下沉并沉積在海底沉積物中，通過幾百上千萬年甚至上億年的地質營力作用，最終輸送到地球表面。又通過地表的風化和氧化作用將CO2釋放到大氣中，由此歸還了大氣在循環(huán)開始時損失的CO2。在這一環(huán)節(jié)也包括了人類文明過程中的化石能源開采和燃燒。

全球碳的生物地球化學循環(huán)示意圖

從上述碳循環(huán)的例子中，我們對生物地球化學循環(huán)在維系地球系統(tǒng)正常運轉過程中的關鍵性作用已有了大致了解。該循環(huán)實現(xiàn)了對維持地球上生態(tài)系統(tǒng)最為重要和關鍵的功能。

首先是對地球接受太陽輻射能的儲存和利用。生物地球化學循環(huán)描述了生命體吸收太陽輻射能，并以化學能的形式儲存起來的過程，即太陽能——光合作用——化學能——呼吸作用——熱能。這種化學能可以由有機體儲存起來，也可從一個有機體交換到另一個有機體，直到最終在生物圈新陳代謝而消耗，并向其它圈層釋放物質和能量。

另外，這一循環(huán)實現(xiàn)了地球物質的無數(shù)次循環(huán)回收。由于地球可看作是一個封閉系統(tǒng)，可被生物圈利用的物質量是基本恒定的。全球生物地球化學循環(huán)作為一個巨大的物質回收系統(tǒng)，使生物圈在其新陳代謝過程中反復利用地球的元素。而如果沒有這一循環(huán)機制，生物圈最終會由于缺乏營養(yǎng)元素或是充滿代謝廢物而漸漸死亡。

可見，正如蓋亞學說中描繪的那樣，我們可以將全球生物地球化學循環(huán)類比做地球這個巨大行星有機體新陳代謝的渠道。那么這個行星有機體能否運轉正常，在某種程度上是依賴于這一新陳代謝的渠道是否通暢和有效。如同醫(yī)學通過使用新陳代謝指標（血液、呼吸、消化等系統(tǒng)）來診斷病人的生命體征是否健康一樣，生物地球化學循環(huán)就是我們了解和預測全球變化的一把鑰匙。

當我們認識到全球生物地球化學循環(huán)如此重要后，不禁要問：就目前地球上發(fā)現(xiàn)的上百種化學元素而言，我們到底要從哪里開始著手呢？

就生物地球化學循環(huán)的研究而言，我們所關注的應該是與生物圈有著最強相互聯(lián)系的那些元素。首先，應該考察那些在生物體組織中含量最多的元素，因為這些元素在生物圈中代謝循環(huán)的量和速度一定是最高的。通常，在生命體中檢測到的含量最高的元素依次是：氫、碳、氧、氮、磷和硫。碳、氫、氧、氮是制造氨基酸的基本元素，氨基酸又是蛋白質的

基本組成成分。磷在生物有機體中有兩種特殊使命：一是作為磷酸酯，它將構成細胞DNA的單個核苷聯(lián)接起來;另外，線粒體中的三磷酸腺苷（ATP）在細胞的呼吸作用過程中起著關鍵性作用，即燃燒脂肪和碳數(shù)化合物釋放出能量。硫元素的作用主要是它參與合成了兩種重要的氨基酸（半胱氨酸和甲硫氨酸），這兩種氨基酸為構成生物組織的蛋白質提供機械結構。科學家的研究表明以上六種元素是影響生物圈生產力大小的關鍵，因此將它們統(tǒng)稱為“營養(yǎng)元素”。對碳、氧、氮、磷、硫這些營養(yǎng)元素在地球各個圈層中輸送、交換的循環(huán)過程進行描述、示蹤和預測是生物地球化學循環(huán)研究的主要內容。

總之，全球生物地球化學循環(huán)向我們呈現(xiàn)了一個復雜而精妙的生命支持系統(tǒng)，通過對這一循環(huán)進行定性和定量的研究，人類將會從中獲得更重要而深刻的啟示：地球是一個復雜而穩(wěn)定的有機體，各個圈層通過物質和能量的流轉和循環(huán)彼此相互作用、協(xié)同發(fā)展，共同維系著我們共同的家園。

參考文獻：

[1]Chameides W.L.and Perdue E.M..Biogeochemical Cycle：A ComputerInteractive Study of Earth System Science and Global Change.Oxford University Press，1997.

[2]Lovelock J.E..Gaia：A New Look at Life on Earth.Oxford University Press，1979.

[3]秦大河.全球碳循環(huán).氣象出版社，2003.

作者簡介：楊楚鵬（1980），男，博士，教授級高級工程師，現(xiàn)從事海洋地質、極地地質調查與研究工作，專業(yè)興趣：海洋生物地球化學、有機地球化學、沉積學研究。