全球生物地球化学循环：探寻地球新陈代谢过程的钥匙

摘要：生物地球化学循环是地球系统科学的灵魂。它使得元素和能量通过庞杂的物理、化学、生物、地质过程在地球各圈层之间不停的转化和传输，确保地球系统功能正常，维护地球环境的物理和化学平衡，构成了如同生命体般的新陈代谢模式。对碳、氧、氮、磷、硫等营养元素在地球圈层中的循环过程进行描述、示踪和预测是生物地球化学循环研究的重要内容。

关键词：生物地球化学循环;地球系统科学

二十世纪60年代，英国科学家詹姆斯·洺夫洛克（James Lovelock）提出了盖亚假说（Gaia hypothesis）。这个假说中地球被看作是一个可以自我调节、有生命的有机体，地球上的各个圈层相互影响、协同进化，共同维护地球生态系统的稳定。盖亚假说作为一个具有科学革命意义的学说，在科学界引起了激烈的争论，引发了人类有关自然哲学的思辩，其最重要的意义在于启示人们从系统观的视角重新审视我们所处的蓝色星球。将地球当作一个有机系统来思考时，可以帮助人们更好地理解生物（人类）活动与地球环境之间的关系，更好地定位人类在地球生态系统中的位置，并影响人类未来的行为。美国国家航天局（NASA）于1983年提出了地球系统科学的概念，随后美国地球系统科学委员会（Earth System Science Committee）在1988年出版《地球系统科学》一书明确提出地球物理化学过程与生物过程紧密联系、相互作用、协同演化的观点。

地球系统科学是以全球性的整体观、系统观和多时空尺度为思考方式来研究地球系统整体行为的综合性学科。它将地球科学的许多分支学科（地质学、海洋学、气象学、地理学、生态学、地球物理学、地球化学等）进行全方位、大跨度交叉融合，并与生命科学、化学、物理学、数学、信息科学以及社会科学紧密渗透。地球系统科学的产生和发展是人类为解决一系列诸如全球性资源、环境、生态等问题的需要，也是科学技术向纵深和多维发展的必然结果。它使得人类能更深刻地认识自身赖以生存的环境，更有效地防止和控制可能突发的灾害对人类所造成的损害。

生物地球化学循环处于地球系统科学的智力核心，它使得元素和能量通过庞杂的物理、化学、生物、地质过程在地球的大气圈、水圈、生物圈、岩石圈之间不停的转化和传输，确保地球系统功能正常，维护地球环境的物理和化学平衡，构成了如同生命体般的新陈代谢模式。为了便于理解生物地球化学循环的基本特点，我们可以从人们最为熟知的碳氧循环开始推演。比如，我们在家中喜欢养绿植和盆栽，既可修养身心又可净化空气，在这个小空间中就构成了一个最基本的碳氧循环：这些绿色植物通过光合作用消耗二氧化碳，产生氧气，而我们则通过呼吸作用消耗氧气，产生二氧化碳;当然除了产生氧气，绿色植物还通过光合作用利用太阳的辐射能，将水和二氧化碳中的碳原子合成有机分子（碳水化合物），将化学能储存起来;而呼吸作用又在有机体中将吸收来的有机碳和氧气进行着合成放热反应，释放出化学能，有机体从而获得生存、生长、繁衍所必须的能量，在此过程中又将二氧化碳和水排放到环境中。

接下来，我们把上面的例子推演至全球尺度上，这一碳循环就马上复杂起来，它将涉及到地球四大圈层的物质和能量的交换以及循环。但我们还可以尽量概括成如右图所示的几个简单过程：大气中的CO2溶解到海洋中，即水圈和大气圈的碳交换和平衡。海洋浮游植物进行光合作用，将溶解态的CO2转化成有机物（CH2O）和O2，O2排放到大气中。光合作用产生的CH2O大部分通过生物呼吸作用和细菌分解作用，又从有机物质转换为CO2而进入大气。CH2O中的一少部分下沉并沉積在海底沉积物中，通过几百上千万年甚至上亿年的地质营力作用，最终输送到地球表面。又通过地表的风化和氧化作用将CO2释放到大气中，由此归还了大气在循环开始时损失的CO2。在这一环节也包括了人类文明过程中的化石能源开采和燃烧。

全球碳的生物地球化学循环示意图

从上述碳循环的例子中，我们对生物地球化学循环在维系地球系统正常运转过程中的关键性作用已有了大致了解。该循环实现了对维持地球上生态系统最为重要和关键的功能。

首先是对地球接受太阳辐射能的储存和利用。生物地球化学循环描述了生命体吸收太阳辐射能，并以化学能的形式储存起来的过程，即太阳能——光合作用——化学能——呼吸作用——热能。这种化学能可以由有机体储存起来，也可从一个有机体交换到另一个有机体，直到最终在生物圈新陈代谢而消耗，并向其它圈层释放物质和能量。

另外，这一循环实现了地球物质的无数次循环回收。由于地球可看作是一个封闭系统，可被生物圈利用的物质量是基本恒定的。全球生物地球化学循环作为一个巨大的物质回收系统，使生物圈在其新陈代谢过程中反复利用地球的元素。而如果没有这一循环机制，生物圈最终会由于缺乏营养元素或是充满代谢废物而渐渐死亡。

可见，正如盖亚学说中描绘的那样，我们可以将全球生物地球化学循环类比做地球这个巨大行星有机体新陈代谢的渠道。那么这个行星有机体能否运转正常，在某种程度上是依赖于这一新陈代谢的渠道是否通畅和有效。如同医学通过使用新陈代谢指标（血液、呼吸、消化等系统）来诊断病人的生命体征是否健康一样，生物地球化学循环就是我们了解和预测全球变化的一把钥匙。

当我们认识到全球生物地球化学循环如此重要后，不禁要问：就目前地球上发现的上百种化学元素而言，我们到底要从哪里开始着手呢？

就生物地球化学循环的研究而言，我们所关注的应该是与生物圈有着最强相互联系的那些元素。首先，应该考察那些在生物体组织中含量最多的元素，因为这些元素在生物圈中代谢循环的量和速度一定是最高的。通常，在生命体中检测到的含量最高的元素依次是：氢、碳、氧、氮、磷和硫。碳、氢、氧、氮是制造氨基酸的基本元素，氨基酸又是蛋白质的

基本组成成分。磷在生物有机体中有两种特殊使命：一是作为磷酸酯，它将构成细胞DNA的单个核苷联接起来;另外，线粒体中的三磷酸腺苷（ATP）在细胞的呼吸作用过程中起着关键性作用，即燃烧脂肪和碳数化合物释放出能量。硫元素的作用主要是它参与合成了两种重要的氨基酸（半胱氨酸和甲硫氨酸），这两种氨基酸为构成生物组织的蛋白质提供机械结构。科学家的研究表明以上六种元素是影响生物圈生产力大小的关键，因此将它们统称为“营养元素”。对碳、氧、氮、磷、硫这些营养元素在地球各个圈层中输送、交换的循环过程进行描述、示踪和预测是生物地球化学循环研究的主要内容。

总之，全球生物地球化学循环向我们呈现了一个复杂而精妙的生命支持系统，通过对这一循环进行定性和定量的研究，人类将会从中获得更重要而深刻的启示：地球是一个复杂而稳定的有机体，各个圈层通过物质和能量的流转和循环彼此相互作用、协同发展，共同维系着我们共同的家园。

参考文献：

[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.全球碳循环.气象出版社，2003.

作者简介：杨楚鹏（1980），男，博士，教授级高级工程师，现从事海洋地质、极地地质调查与研究工作，专业兴趣：海洋生物地球化学、有机地球化学、沉积学研究。