地球的動態結合
如果有機會乘坐時間機器“作一次旅行，去對遠古時代地球上自然發生的各種變化進行測年和測量，我想，大概沒有一位活著的地球科學家會不馬上抓住這一機會的。地球科學家可以超越數千年時間，觀察地球表麵大陸的漂移，這種移動不僅改變了大陸的位置及大氣成分，而且使它們攜帶的生命也發生了變化。地球科學家還可以監視影響生命進化的空氣、陸地和水的變化。隻要適當注意，他們還能檢測到生命反過來是如何改變了空氣、陸地和水的性質的。有機物與無機物是互相聯係的，具體表現在地球化學與生物學、地質學與氣候學的關係上。在時間機器中，一切都在運動著，在不停地變化著，就如一張由生命和無生命單元的動態結合所構成的巨大、錯綜複雜並且變化著的網。如果沒有非凡的想象力，一般的觀察者是不會輕易理解這一圖案的，除非他或她是一種懷著對地球的好奇的群體的一員，這一群體的人們使用一些精致的方法，來揭示遠古以來曾出現過的大量的各種圖案。這一群體以及他們所采用的方法，當然就是我們今天所稱之地球係統科學的主要構成部分。
這種動態過程發生在地質時代。地質時代是一種幾乎難以想象的時間跨度，在這裏，1000年僅僅是一瞬間。威爾斯（HG．Wells）《時間機器》中的人物可以看到幾個世紀以來文明的演變；在一個非常堅固、可以回溯至十分久遠時代的裝置裏旅行的生物學家或地質學家或氣候學家，可以觀察到有機體的進化過程，以及它們與地球之間的相互關係。
一段特別值得一遊的時期將是生命的萌芽時期，那就是大約35億年以前的所謂的太古代時期。在那裏，我們或許會解決一個重要的科學謎案，這一謎案不僅包含了地球係統科學，而且處在圍繞全球變暖和我們針對地球的一些無意識實驗的危害這一現代科學論爭的中心。我們會在那裏看到什麼？
我們將會看到太陽從天空雲彩背後冉冉升起，看到高聳的、噴著煙霧的火山，看到海浪在輕輕拍打著既無樹木，也無雜草的瘠薄的平地。海岸線上凸立的是一些古怪的、～米見方的、蘑菇狀的石塊。如果沒有保護眼睛和皮膚的裝置，我們不敢離開我們的時間機器，因為外麵紫外線輻射強度極高，高到足以對陸地或空氣中所有已知的生命的生存構成威脅。我們還必須佩戴氧氣麵罩，因為大氣主要由二氧化碳氣體組成，雖然存在一些氧氣，但其含量大約隻有今天的一億分之一。大氣溫度高達38C，但正午的太陽比起我們所熟悉的全新世間冰川期（我們生活的時代）的太陽似乎要暗淡一些，而且顯得要小一些。我們的時間機器外部的太陽能接收麵板顯示接收的能量約為600瓦，這大概是我們今天所接收的太陽能的四分之一。35億年以前的太陽要比今天的太陽小。
原因何在？當我們將核物理學引入太陽係各種作用的研究中來時，我們發現與它的大多數同類星體一樣，太陽也隨著把氫轉變為氮的熱核反應而變得越來越大，其亮度也不斷增加。大多數科學家相信，自地球誕生以來的大約45億年間，太陽的發光度增加了約30%，其中有5%是在過去到乙年間增加的。就是在這6億年間，生命快速進化，在我們今天挖掘到的岩石中留下了無法洗去的化石印記。
超級溫室效應
如果將進入地球的太陽能削減25%左右，大多數氣候學家會毫不遲疑地認為這將使我們陷入嚴寒之中。但是，在太古代，氣候明顯溫熱，而且沒有冰凍天氣——請記住，我們的時間機器的室外溫度計所給出的讀數是暖烘烘的38C。這一疑難問題就是眾所周知的“弱早期太陽佯謬（earlyfaintsunParadox）”。在1970年，康奈爾大學的卡爾·薩根（CarlSagan）和喬治·馬倫（GeorgeMullen）提出了一種解決這一疑難的觀點：一種超級溫室效應。他們認為，甲烷和氨這兩種氣體能夠在地球大氣層的下部非常有效地俘獲紅外輻射，而太古代可能有大量的甲烷和氨，它們俘獲的紅外輻射足以彌補太陽輻射的不足，從而保持一種溫熱的氣候。批評者認為上述觀點是怪誕的。他們指出甲烷和氨是異常活躍的氣體，而且在大氣圈中的壽命較短，因此要取得上述效應，就必須不斷地向大氣補充這兩種氣體（一般假定是生物對之進行補充入果真如此，太古代又如何能夠聚集起足夠數量的甲烷和氨以使地球保持足夠的溫熱來維持生命的延續？我們對此一無所知，而這也是為什麼時間機器對那些熱衷於探究地球奧秘者來說，是如此奇妙的一種想象的原因之一。
雖然對太古代時期的甲烷（CH。）和氨（NH。）是由生物過程還是由與生物體無關的其他過程產生這一問題，人們至今仍莫衷一是，但薩根和馬倫的基本思想已被大多數學者接受。然而，當代研究表明主要的超級溫室氣體是CO。，而不是CH或NH3。但上述理論的陰影在今天仍籠罩著我們。如果太古代確實出現過薩根他們所推測的那種現象，那麼這種現象會否再現？
要回答這一重要問題，我們必須了解影響大氣圈成分和結構的各種過程。
在科學上，了解的增多並不總是意味著肯定性的增加，至少在一個假說的早期是如此。對一個問題的解決常常會產生另一個新的問題。這裏的問題是：為使太古代保持溫和的氣溫，如果當時的CO。含量數百倍於現代，那麼，在此後的30億年間，隨著太陽發光度增加了大約25%，又是什麼作用使得地球氣候沒有相應出現急劇過熱的情形？
這一疑難問題的答案（事實上隻是一些假說）通常有兩種（有時是矛盾的）類型：一種理論認為是通過無機地球化學過程帶走一定的CO。來達到對溫度和CO。含量的控製；另一種觀點認為COZ的帶走是由生物過程來控製的；也有人認為兩種過程都起作用。木管是哪一種觀點，它們都是以一種被稱為負反饋的作用為基礎的。
我們這些熱血動物都具有起穩定作用的負反饋機製。我們擁有生理學家所稱之體內平衡係統。如果太熱，我們通過出汗來達到一種負的或穩定的反饋。如果太冷，我們會顫抖，這是一種提高新陳代謝水平以產生熱量的力學行為，它也是一種穩定的反饋。
在氣候係統的眾多反饋過程中，有些起著穩定作用，相當於一個恒溫器，有些則起著降低穩定性的作用。例如，如果地球變熱起來，雪和冰將會出現什麼後果？某些會融化，這種融化的結果將是以綠樹或棕色沙漠或藍色海洋取代原先明亮、潔白、高反射的冰雪告終。綠樹或棕色沙漠或藍色海洋的顏色要比雪原深，因此將吸收更多的陽光。如果我們能夠以某種方式使地球變熱井因此使一部分雪融化，地球將吸收更多的陽光，而這種反饋機製將會加速變熱過程。這是一種正反饋。但是，如果加熱引起更多的水發生蒸發並形成白雲，這將會有更多的陽光被反射回太空，從而降低地球的熱量，這就是一種負反饋。
讓我們再回到有關C（）z含量降低機製的爭論。針對地球化學過程控製大氣CO。含量這一模型，1980年，詹姆斯·沃克（JamesWalker）、保羅·海斯（PaulHays）及詹姆斯·卡斯廷（JamesKasting）這幾位當時都在密執安大學工作的學者，提出了一個風化一氣候穩定反饋係統，這一係統被他們的同事們稱為WHAK係統（他們幾位名字的首字母之組合）。這幾位學者指出，伴隨氣溫的變暖，有更多的水蒸發，降雨以及水土流失的增加使水文循環更具活力。
WHAK機製運作的時間尺度是數千萬年至數億年。它本身並沒有試圖來描述短周期的CO。變化，這種變化可以解釋恐龍時代的極熱，以及2萬年前本次冰川期的極冷（後麵將要對此予以評述）。
如果大氣中有高的CO。含量，CO。與雨水的結合產生碳酸，降雨的增加將使地表的礦物遭受大量碳酸的風化作用。在WHAK係統所提出的風化作用中，鈣鎂矽酸鹽將與大氣中的碳結合，降低大氣的CO。含量，並將碳固定在碳酸鈣（石灰岩）和碳酸鎂（白雲石）等沉積岩中。大氣CO。含量的減低意味著溫室作用的減弱，因此，通過這種無機負反饋過程，使地質曆史時期由太陽發光度增加所引起的溫度升高得到抵消。
蓋亞假說是真的嗎
太古代隨著太陽發光度的增加，大氣具有高的CO。含量，第二種假說認為＊0。的降低與生物學過程有關。英國科學家兼作家詹姆斯·洛夫洛克（JamesLovelock）曾提出了一種生物負反饋機製的設想。他試圖解釋生命如何在全球規模上作為一個自動負反饋係統發揮其作用。在他的鄰居、作家威廉·戈爾丁（WilliamGolding）的建議下，洛夫洛克借用希臘神話中大地女神蓋亞（Gala）的名字將自己的假說命名為“蓋亞假說”。科學家們起初並沒有認真對待這一假說，而且至今仍有一些人對它持批評態度。這一假說認為地球的大氣圈是生物自身的一個不可缺少的、有規律的、必然的組成部分，千百萬年以來，生物控製了大氣圈的溫度、化學成分、氧化能力以及酸度。“蓋亞假說”的擁護者認為生物對地球的環境起著積極的控製作用。洛夫洛克的機製基於下述這樣一種假定：即發生光合作用的微生物（如浮遊植物），易於在CO。含量高的環境裏繁殖，因此這些微生物將會迅速地（指在地質時間框架內）從空氣和海洋中帶走C（）。，轉變成碳酸鈣。當它們死亡之後，這些碳酸鈣沉積物會下沉至海底。
洛夫洛克和微生物學家林恩·馬古利斯（I。gunMargulis）多年來一直堅持認為，如果不是生物在起作用，地球的大氣圈將是CO。占絕對主導地位，地球與其姐妹行星火星和金星將沒有兩樣。他們指出，這種以C（）。為主的大氣圈產生～種強大的溫室效應，使地球的溫度比現今要高出60C左右，足以燒焦各種生物。
上述假說的反對者的反駁意見是，在地球上出現生物後的大部分時間裏，並沒有進化出浮遊植物，既然如此，這一CO；消耗機製又怎能被用來解釋“晚近”（即過去幾億年）之前的“弱早期太陽作謬”？“蓋亞假說”支持者對此的一種回答是，推測自生命開始以來即存在於海水之中的藻類可以分泌能固定一些碳的固體物質。確實，我們在太古代海濱所見的蘑菇狀岩石就是一些疊層石，它們是生活在自身分泌的含碳的堅硬物質中的有光合作用的藍綠藻的堆積作。今天人們仍能找到這些遊綠藻的後代，它最常見於澳大利亞西部的沙克灣。
疊層石的進化曆史較末代恐龍的長50倍。然而，人們並沒有定量地證明，地質曆史時期曾經存在足夠多的這類生物體的結構，它們消耗了大量的CO。。因此，疊層石的作用仍是～個尚待解決的問題。
有時候會出現～些新的理論來調和一些互相對立的假說［這些假說即為哲學家托馬斯·庫恩（Tho。asKuhn）所指之對立的範例（naraaigms）j。在我看來，雖然現在肯定“蓋亞假說”的真實性尚為時過早，但這一假說的支持者確實提出了一些新的明智的見解，從氣候變化中的生物調節作用尋找弱早期太陽佯謬的答案。例如，霍華德大學的戴維·施瓦茨曼（DavidSchwartzman）及紐約大學的泰勒·沃爾克（TylerVolk）不留常規，另辟踢徑，認為太古代時期的氣溫既不是很熱也不是很冷。相反，這兩位學者指出，隻是當無機因素使他表溫度降低到一定程度（如低達60℃～70C）後，才使原始細菌得以生存，此時，“蓋亞假說”才發揮作用。隨後幾十億年的生物進化在幾億年前達到高潮，出現了樹木和花卉，生命的不斷發展降低了CO。含量，從而結束了超級溫室效應。隨著地質時代溫度的降低，更多形式的生命得以生存下來，它們反過來又通過消耗CO。參與了“蓋亞假說”的負反饋過程。
沃爾克和施瓦茨曼提出了一種消耗CO的特殊機製——“風化的生物加強作用”的假設，該機製認為土壤中的生物群使礦物和風化化學物質之間的接觸麵積增加，從而大大提高了風化作用的速度。提出這一大膽設想的兩位學者注意到了下麵這一重要的、相矛盾的地質事實：自20億年前以來，多次出現岩石表麵被磨損和鏟到的明顯證據，它們與現代冰川所造成的印痕同屬一類。因此，傳統的地質學思維方法認定在地球曆史的大部分時期存在多期冰川作用。如果這種結論成立的話，那麼自太古代到進化出現複雜有機體的6億年前這段時間內，地球的溫度就不會像“蓋亞假說”所要求的那樣炎熱。然而，“蓋亞假說”的支持者們如同訓練有素的律師一般，試圖為這些與他們的假說相侼的證據作出另一種解釋。比如，針對上述證據，沃爾克和施瓦茨曼指出岩石表麵的擦浪是由諸如流星和小行星等外來物與地球的碰撞造成的碎屑流引起。這一問題的解決將成為地學研究者在探究地球係統科學的嚐試中的收獲之一。