如何構(gòu)建一個宜居星球？查爾斯?朗繆爾訪談

【作者】徐義剛

【翻譯】趙思宇、楊陽

地球是太陽系中唯一一個已知的宜居星球。探究地球如何演變出其獨特的宜居性一直是地球科學的前沿領(lǐng)域，也成為當前深空探測的重點之一。決定宜居星球形成的關(guān)鍵因素是什么？固體地球過程如何影響生命的起源和地表環(huán)境的調(diào)節(jié)？地球的宜居性研究是否與人類當前所面臨的諸多挑戰(zhàn)密切相關(guān)？這些問題吸引了科學界和公眾的廣泛興趣?！秶铱茖W評論》采訪了來自美國哈佛大學的固體地球化學家查爾斯·朗繆爾（Charles H. Langmuir）教授，他對板塊構(gòu)造地球化學循環(huán)的諸多方面進行了系統(tǒng)性研究，涵蓋了洋中脊、匯聚板塊邊緣和板內(nèi)火山活動等。朗繆爾教授所著的《如何構(gòu)建一個宜居星球》，被美國出版商協(xié)會評為2012年最佳地球科學書籍。

地球宜居性研究的重要性和歷史

NSR：幾年前，您與沃利·布洛克共同撰寫了《如何構(gòu)建一個宜居星球》，這本書在地球科學界和公眾中產(chǎn)生了深遠的影響。能否分享一下寫這本書的初衷和過程？

朗繆爾：1984年，沃利首次出版了這本書。那是一本篇幅不長，只有七章的書，但它卻貫穿了從宇宙大爆炸到人類時代的宏偉敘事。后來，沃利將教授這門課的任務(wù)交給了當時在哥倫比亞大學任教的我。我非常喜歡這本書，但我逐漸意識到課程需要增加更多關(guān)于固體地球科學的內(nèi)容，并且原書的一些內(nèi)容也已經(jīng)顯得有些過時了。

起初，我認為這項工作只是一個小項目，當我開始去做時，我很快就意識到還有很多遺漏之處。除了關(guān)于固體地球科學內(nèi)容的不足外，書中也缺少關(guān)于地球生物學和地球歷史的討論——新興的系外行星研究領(lǐng)域也尚未納入。因此，這個“小項目”變成了一個持續(xù)十年的深入工作，期間我不得不學習很多我此前并不熟悉的領(lǐng)域，比如生命的起源和地球的歷史。但這也成了一個難得的契機，讓我得以從宏觀角度思考整個宇宙，并將地球和人類置于這一廣闊的背景之中?！拔乙庾R到這是一個關(guān)于行星進化的新興主題，它是一種普遍的過程，并且我開始尋找那些超越地球上發(fā)生的特定細節(jié)的具有普適性的基本原則。

NSR：為何地球宜居性的研究如此重要？它與人類當前面臨的全球變暖等挑戰(zhàn)有關(guān)嗎？

朗繆爾：目前普遍認為，全球變暖是我們面臨的核心問題，我們必須采取措施應(yīng)對，否則將對我們的生活舒適度和經(jīng)濟福祉造成負面影響。從這個角度來看，解決全球變暖似乎更多是經(jīng)濟學家和工程師的任務(wù)——我們應(yīng)該投入多少資金來減輕全球變暖？哪種工程方案最具成本效益？因此，我們尋求可再生能源、電動汽車、電網(wǎng)重建等解決方案。同時，人們也希望在不做出犧牲的情況下解決問題，追求既能保護環(huán)境又不影響經(jīng)濟增長的雙贏策略。

然而，撰寫這本書的過程中，我逐漸形成了一個完全不同的看法。如果我們提出一個假設(shè)性問題：“如果我們明天就可以解決二氧化碳排放問題，我們面臨的所有問題就都解決了嗎？” 答案當然是否定的。與之相比，更棘手的問題是更加普遍且廣泛的行星破壞過程。我們正在過度消耗地下水、侵蝕土壤、并以與過去大滅絕事件相同的規(guī)模和速度破壞地球上的其他生命。隨著人口和經(jīng)濟的增長，我們不斷砍伐森林、建造新城市、增加對肉類的消耗，不可避免地殺死了大量其他動植物，破壞了我們和所有其他生物共同依賴的地球系統(tǒng)。在當今世界，即使二氧化碳排放量降至零，經(jīng)濟增長仍舊導致行星的不斷破壞。

因此，我認為我們需要建立一個“行星破壞指數(shù)”，就像GDP一樣詳盡和頻繁地報告。大氣變化只是其中一環(huán)，其他如生物多樣性喪失、土壤退化、地下水耗竭、生物棲息地破壞、海洋酸化和人口問題也是重要組成部分。稍作思考就會發(fā)現(xiàn)，這個破壞指數(shù)的每個組成部分都在持續(xù)增加，哪怕我們大幅消減溫室氣體排放。

這種觀點聽起來或許相當悲觀，但從長遠的角度來看，地球的歷史和演變過程中也存在積極的一面。地球最初是一塊貧瘠的巖石，經(jīng)歷了長時間的沉寂，隨后隨著行星向新功能狀態(tài)的演化而發(fā)生根本性的變化。比如，地球最初沒有生命的狀態(tài)可能維持了數(shù)億年。最早的生命是原始海洋中的微小原核細胞，那時的大氣中還沒有氧氣，這一狀態(tài)持續(xù)了大約十億年。光合作用的發(fā)展為地球提供了氧氣，但對早期生物來說氧氣是有毒的，于是生命又花了約十億年的時間來適應(yīng)氧氣，并利用它從食物中獲取更多能量。這種能量的增加促使了更復雜的單細胞生物——如變形蟲和草履蟲等真核細胞的出現(xiàn)。最終，地球表面被氧化，大氣中氧氣含量上升，多細胞生物開始了數(shù)億年的演化歷程——包括入侵陸地、演化出脊椎動物和樹木等。從一個系統(tǒng)的視角來看這些階段，而不僅僅專注于具體的細節(jié)，那么每個階段都涉及到能量獲取途徑的增加和關(guān)系規(guī)模的擴大。

從這個系統(tǒng)性的背景來看，人類文明是行星演化的下一個階段。我們在能量獲取上經(jīng)歷了一場革命，這不僅讓我們統(tǒng)治了所有生命，也支撐了人口的超指數(shù)級增長，并通過語言、印刷和以及各種形式的電子通信建立了一個全球網(wǎng)絡(luò)，瞬時連接了全人類。關(guān)于我們是否已經(jīng)進入了“人類世”這個問題有許多討論——這在地質(zhì)時間里只是一個非常微不足道的時間界限。我們在書中提出，我們可能正處于人類學時代的開始，而就其對行星功能的影響而言，這個時代的變化甚至比過去任何一個重大的行星功能變化都要顯著。我們具有回顧過去、預(yù)見未來的能力，并理解從亞原子到宇宙的規(guī)模。我們還有能力進行定向的生物進化，這是令人難以置信的。進化不再只依賴于DNA的隨機變化。這些都是45億年來行星功能最大的變化，而且這些變化正在以驚人的速度發(fā)生。

NSR：如何從行星的角度來看地球宜居性？

朗繆爾：觀察行星數(shù)十億年的演變，我們會發(fā)現(xiàn)其演化路徑絕非必然。大多數(shù)行星可能根本無法孕育生命，有些即使產(chǎn)生生命，也可能永遠停留在單細胞生命階段。例如，金星可能曾孕育早期生命，但由于它過于靠近太陽，導致溫室效應(yīng)失控?；鹦且部赡茉猩嬖?，甚至在其地下裂縫中至今仍可能藏有生命，但由于其體積小且距離太陽較遠，生命難以持續(xù)發(fā)展。其他行星可能未經(jīng)歷氧氣革命，或因巨大隕石撞擊、流星掠過等外界因素而終結(jié)。就像一條雌鮭魚產(chǎn)下數(shù)千顆卵，但只有極少數(shù)能夠存活成年一樣，每一階段的發(fā)展都充滿了挑戰(zhàn)和危險。宇宙或許也是這樣的，雖孕育無數(shù)行星，但只有少數(shù)能經(jīng)歷地球所經(jīng)歷的全面演化過程。

從這個視角來看，人類文明同樣處于風險之中。我們正處于行星破壞的過程中，無法保證現(xiàn)有的文明能夠長存。歷史上的所有文明都經(jīng)歷了崩潰，這些崩潰雖然局限于部分地區(qū)，但在當今全球化的世界，任何文明的崩潰都將帶來全球性的后果。

全球變暖僅是這一系列問題中的一環(huán)，即便在全球變暖的議題上，我們的考慮往往出自私心——它將如何影響我的生活？會對經(jīng)濟增長造成什么影響？它將如何威脅到我的生活環(huán)境？我們需要以行星的保護者和維護者的身份生活，而不僅僅是作為利用者，這要求我們從根本上改變個人及社會的行為模式。

探索地球的歷史和進化過程可能會激發(fā)我們關(guān)于這些全球性及個人層面的問題，幫助我們理解自己的起源，對這個賦予我們生命并滿足我們一切需要的地球和宇宙心存感激。當我們感到感激時，我們可能就會產(chǎn)生責任感，如果我們能真正做到這一點，那么我們與行星系統(tǒng)的關(guān)系可能會發(fā)生根本性的變化。那么，為什么研究地球的歷史和演化很重要呢？因為它為我們提供了一個宏大的背景和視角，與人類存在的意義和目標緊密相關(guān)。

影響地球宜居性的關(guān)鍵因素

NSR：當我們從宏觀角度審視宜居性問題，并將地球作為研究對象時，我們會發(fā)現(xiàn)許多特定因素共同促成了地球的宜居性。構(gòu)建宜居星球需要哪些條件，這些條件在宇宙中普遍存在的概率有多大？

朗繆爾：宜居性的一個基本要求是氣候穩(wěn)定性，這取決于行星的揮發(fā)份濃度，尤其是二氧化碳和氧氣。這些成分中的三種元素（C、H、O）也構(gòu)成了生命體質(zhì)量的90%以上。除了不參與反應(yīng)的氦，這三種元素（C、H、O）是銀河系中最常見的元素。因此，宇宙中充滿了維持氣候穩(wěn)定和支持生命所需的分子。然而，在地球這樣的巖石行星上，揮發(fā)份并不是高效積累的，使得它們在地球上相對其他元素的總量較少。幸運的是，它們能在深部巖漿中溶解，并在地表釋放，從而導致這些揮發(fā)份富集在行星表層。但仍有許多因素可能會導致類地行星上揮發(fā)份含量的巨大差異。

大氣中揮發(fā)份保持準確的濃度有多重要？地球表面的水剛剛好填滿了海洋盆地，海洋和大陸的共存為長期的氣候穩(wěn)定提供了基礎(chǔ)。這是否是一個幸運的偶然，還是我們尚未理解的某種反饋機制的結(jié)果？擁有更多水的行星會成為“水世界”嗎？這樣的世界是否還能維持穩(wěn)定的氣候和生命存在？大氣中二氧化碳的準確濃度對行星溫度至關(guān)重要。我們已經(jīng)認識到大氣中二氧化碳濃度的變化會對氣候產(chǎn)生影響，但如果一個行星的二氧化碳濃度少了十倍或多了十倍又會如何？

氧氣的豐度是當今地球生態(tài)系統(tǒng)的核心，幾億年來它大致保持在一個狹窄的范圍內(nèi)。是什么反饋機制在控制著大氣中的氧氣濃度？這些機制在行星歷史上是如何運作的？在不同行星上又會有怎樣的變化？一個經(jīng)常被忽視的關(guān)鍵是固體地球所扮演的角色。板塊構(gòu)造和火山活動是決定表面揮發(fā)份豐度的關(guān)鍵。大氣中氧氣的演變不僅依賴于光合作用和有機碳的埋藏所形成的氧氣的“源”，還取決于氧氣的“匯”，其中大部分通過固體地球中鐵和硫的氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)。

探討行星宜居性的普遍性引出了新的視角。例如，是否存在某種反饋機制，確保行星表面擁有適量的水？生命的出現(xiàn)是否常伴隨著行星表面從還原狀態(tài)向氧化狀態(tài)的轉(zhuǎn)變？板塊構(gòu)造的運行及其在鏈接行星不同圈層之間的效率似乎很大程度上取決于行星的質(zhì)量。為了維持恰當?shù)膿]發(fā)份濃度，行星是不是既需要位于其恒星的宜居區(qū)域內(nèi)，同時也需要有一個適中的體積？這些問題的研究才剛剛起步，我們目前所依賴的還只是理想化的模型，這些模型可能無法為我們提供確切的答案。

在行星演化的過程中，可能存在一些超越具體情況、適用于不同行星環(huán)境的基本準則。首先，宜居性會孕育宜居性。如果生命形式破壞了它所依賴的環(huán)境，最終將無法存續(xù)；而那些能夠創(chuàng)造更加宜居環(huán)境的生命系統(tǒng)將得以繁榮發(fā)展。其次，對于生命而言，能夠獲取更多的能量為其提供了進化上的優(yōu)勢。這意味著，生命會逐漸進化以利用越來越多的能量，正如我們在地球上觀察到的那樣。第三，共生、反饋和關(guān)系的優(yōu)勢。穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)能夠長期存在，從而可以在生物進化的過程中取得成功。盡管這些原則在具體的生物表達和行星演變中的體現(xiàn)可能在不同的行星上大相徑庭，但這些原則難道不是普遍的嗎？最后，以地球為例，隨著時間的推移，行星將孕育出豐富的資源——土壤、地下水、礦床、化石燃料等。這些資源靜候能夠利用它們的生命形式出現(xiàn)。如果這些原則普遍適用，那么除非發(fā)生災(zāi)難性事件，智慧文明難道不是行星發(fā)展最終的結(jié)果嗎？

NSR：哪些發(fā)現(xiàn)對解決這些問題最為關(guān)鍵？

朗繆爾：我絕非唯一認為探究“生命在銀河系中的普遍性”是極其重要的人。生命是“行星的常態(tài)”還是極其罕見？如果我們在其他地方發(fā)現(xiàn)了生命，就能對這一問題給出確定的答案。堅持生命稀有、地球獨一無二的論點，意味著從統(tǒng)計學角度看，生命存在的可能性極低。如何從雜亂無章的分子集合中孕育出高度有序的生命呢？銀河系中有1000到2000億顆恒星，天文學家告訴我們，大部分恒星周圍都存在行星，這就提供了約一萬億個生命可能存在的機會。即使生命出現(xiàn)的概率是百萬分之一，銀河系內(nèi)也仍可能有一百萬顆擁有生命的行星。不過，我們偶然發(fā)現(xiàn)其中一個的幾率也是百萬分之一。迄今為止，天文學家僅發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆其他行星，因此我們還需要經(jīng)歷無數(shù)代的探索。因此，如果我們在其他地方——無論是火星、木衛(wèi)二還是另一個太陽系的行星——找到生命存在的證據(jù)，那將表明生命在宇宙中極為豐富，這并非偶然，而是宇宙的固有特性。

另一項具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)將是在實驗室中產(chǎn)生生命的能力。在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的進展?？紤]到人類存在的時間極短，與地球早期可能存在的環(huán)境多樣性相比，我們的想象力極為有限，如果我們能在實驗室中創(chuàng)造出能夠孕育生命的條件，那么生命的起源就會變得相對簡單。一旦我們能夠在實驗室中創(chuàng)造出一個原始生命形態(tài)，隨著時間的推移，生物進化便能催生出令人驚嘆的生命多樣性。制造一個簡單的原細胞，如果我們能夠在微小的人類時間尺度做到這一點，那么生命很可能在宇宙中無處不在。

我希望能親眼見證這些發(fā)現(xiàn)，因為那將是人類歷史上的轉(zhuǎn)折點——我們將堅定地認識到，我們并不孤單；我們是這個生機勃勃的宇宙中的一份子。

給年輕一代研究者的寄語

NSR：您能為致力于揮發(fā)份循環(huán)和地球宜居性領(lǐng)域研究的學生與年輕科學家提供哪些建議？

朗繆爾：年輕科學家常問我如何才能在《自然》或《科學》雜志上發(fā)表文章，因為這些發(fā)表往往對他們的職業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。要在這些頂尖期刊上發(fā)表論文，關(guān)鍵是提出好的問題，對自己的研究充滿熱情，深入探索問題，并對發(fā)現(xiàn)持開放態(tài)度。如果你確實有所發(fā)現(xiàn)，運氣好的話，遇到合適的編輯和審稿人，你的研究就能發(fā)表在《自然》上。這不是能夠人為制造出來的。在我的職業(yè)生涯中，許多重要的論文并沒有發(fā)表在《自然》和《科學》上。重要的不應(yīng)是發(fā)表的地方，而是論文的質(zhì)量。

偉大科學家的共同特質(zhì)在于他們對世界保持開放的心態(tài)，對所觀察到的現(xiàn)象提出質(zhì)疑，因此他們有時會發(fā)現(xiàn)被別人忽視的新事物。如果你能找到正確的問題并堅持探索到底，常常會讓人驚嘆“這太明顯了！我之前怎么沒想到？”。我的叔祖父獲得過諾貝爾化學獎，但他最重要的發(fā)現(xiàn)之一卻是在物理海洋學領(lǐng)域。他熱愛戶外活動，即使在惡劣的天氣條件下也是如此。有一天，當他乘坐一艘穿越大西洋的船只時，遇到了一場狂風暴雨。他走到甲板上，感受著風和浪。他看著水面，發(fā)現(xiàn)海藻排列成了與風平行的等距線。當風向改變時，這種排列在半小時內(nèi)發(fā)生了變化。這對于水手來說可能已經(jīng)顯而易見了上千年，但他看到了，并且問自己，這是怎么發(fā)生的呢？后來，他夏季去了湖邊的小屋，當暴風雨來臨時，他劃著小船，將雨傘浸入水中，發(fā)現(xiàn)雨傘隨水波旋轉(zhuǎn)，顯示出與風向平行的對流單元。他不僅定義了這種流動，還測量了其流速?！袄士姞柇h(huán)流”如今被認為是淺海區(qū)域水體混合的主要形式，是物理海洋學領(lǐng)域研究的核心。

另一次，他在風平浪靜的日子里劃船時，注意到引擎滴落的一滴油在水面上擴散成一大片，他問自己：“那層油有多厚？”進行了測量，發(fā)現(xiàn)了單分子薄膜，現(xiàn)在有一本關(guān)于表面化學的期刊以他的名字命名。

他之所以能做出這些發(fā)現(xiàn)，并不是因為他想在《科學》或《自然》上發(fā)表文章。他之所以能夠取得成就，是因為對世界充滿好奇，并通過巧妙的實驗和發(fā)表成果來追隨他的好奇心。晚年時，他的整個職業(yè)生涯都在享受科研的樂趣。

小時候，我父親通過和我一起做有趣的科學實驗，延續(xù)了這一傳統(tǒng)——將蠟燭放入牛奶瓶中制造真空使得煮熟的雞蛋吸入瓶中，讓二氧化碳中的氣泡漂浮，吸入氦氣讓聲音變尖細，制作簡單的儀器。我學到了科學是實踐的，也是有趣的。在我的職業(yè)生涯中，我非常幸運地也能在做自己喜愛的事情中找到樂趣。我從未想過通過科學研究獲得獎項或變得富有。當然，這其中也有一些運氣——我很幸運地進入了火山地球化學領(lǐng)域，當時這一領(lǐng)域的數(shù)據(jù)非常少，海洋的探索也非常有限。當然，在現(xiàn)行體系下，我必須撰寫帶有假設(shè)性的項目申請書，就好像可以預(yù)先設(shè)計出科學創(chuàng)新一樣。但當船出海開展新的探索，或者有新數(shù)據(jù)涌現(xiàn)時，我都會保持警醒，迎接可能的發(fā)現(xiàn)。事實上，這種發(fā)現(xiàn)確實會偶爾出現(xiàn)。
回顧我的職業(yè)生涯，我認為有幾個方面非常重要。首先是獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。要對數(shù)據(jù)質(zhì)量合理質(zhì)疑，并努力確保其準確性，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)具有永恒的價值。其次，確保對數(shù)據(jù)進行定量模擬，并全面考慮各種數(shù)據(jù)，不僅僅局限于自己對某個同位素比值的分析。否則，你提出的想法和理論可能行不通，也經(jīng)不起時間的考驗。最后，雖然科研領(lǐng)域可能競爭激烈，但人際關(guān)系更加重要。如果在職業(yè)生涯的尾聲，你有很多重要論文但卻沒有朋友，你會感到不滿足。因此，要對學生、博士后以及同行慷慨地分享自己的樣品?？茖W是一種集體活動——通過人際關(guān)系網(wǎng)的進步才能實現(xiàn)，我們需要建立培養(yǎng)這些聯(lián)系。

【徐義剛，中國科學院廣州地球化學研究所研究員，《國家科學評論》編委，“宜居星球中揮發(fā)份的起源與循環(huán)專題”客座編輯。本文英文版：How to build a habitable planet: an interview with Charles H. Langmuir，DOI：10.1093?/nsr/nwae060】