自然的奥秘，从气候变化说起

◎ 文 | 陈进 编辑 | 田宗伟

北极格陵兰斯科斯比湾 摄影 / VCG

气候变化是一个热门话题，因为它与地球环境变化、生态环境保护和人们的生活密切相关。根据科学观测，自工业革命以来的一百多年内，地球气温一直朝变暖方向发展，气候变暖已经是一个确定性的事实，目前气候变化与气候变暖基本属于同义词，相互可以替换。

说起气候变暖的原因，科学家们已经研究很多年了，IPCC报告（政府间气候变化委员会报告）已经出了五期，第六期报告马上也要出来了，主要结论是：自工业化一百多年来，人类大量使用本来埋在地下的煤炭、石油和天然气等化石燃料，还有人类活动引起的森林大火等，使地下化石和植物中的碳通过燃烧进入大气，额外增加了大气中的二氧化碳、二氧化硫等温室气体，使地球表面温度增加。工业革命虽然给人类带来了巨大福利，但同时也给地球环境带来了巨大影响和不确定性。

美国微生物学家塔莎-斯特姆(Tasha Sturm)通过实验收集他8岁儿子手部的细菌并拍摄的照片。手部细菌最多的细菌种群是葡萄球菌，它们通常是无害的，存在于30%人类的鼻孔之中。有大的细菌种群——芽孢杆菌，它是一种杆状细菌。这些细菌如果在没有洗手的情况下会通过鼻孔、口腔进入体内。 摄影/catersnews/IC photo

气候变暖是好事、还是坏事，不同的人有不同的看法。多数人认为不利影响很明显，主要体现在：南北极和青藏高原的冰川和冻土加速融化，海平面上升，这样低海拔的沿海地区和岛国面临淹没威胁，同等程度的风暴潮引起洪涝灾害更加严重；极端气候和水文事件出现的频率增加，从而导致洪旱灾害损失加大；一些物种，如北极熊等，无法适应快速变化的环境，其栖息地丧失或者食物缺乏使其生存困难。认为有利影响的主要有：气候变暖，降雨量会增加，森林植被、热带生物和粮食生长会增加；北极及格陵兰岛冰川融化，可以开发利用北极资源和航道资源等。也有少数科学家不认为气候变暖是人类活动造成的，他们的理由是：地球进化历史上曾经历过多次气候变暖变冷过程，地球冷暖变化是周期性的，与地球在银河系中的位置及太阳活动周期有关；地球上的生物经历过多次灭绝、复苏、再灭绝、再复苏过程，人类活动无法改变地球环境周期性变化的趋势，人类只能去适应这样的变化，等等。

地球已经诞生几十亿年了，人类诞生不过数百万年，不到地球生命历程的百分之一，所以，人类对于地球环境变化、自然界及生物演变的认识仍然有限。就拿目前正在流行的新型冠状病毒来说，它给全球绝大多数国家带来了痛苦和死亡，造成巨大的经济损失。要知道新冠病毒只是亿万微生物中的一种，目前成千上万名科学家正在日以继夜地科研攻关，也还没有完全弄清楚其起源及传播途径，可见自然界未知的东西比已知的多得多，人类探索自然奥秘的道路是无止境的。

Regina留学印象

我是学水利工程建设出身的，近20年来一直从事水资源与生态环境方面研究，2006年长江水利委员会送我到加拿大萨斯喀彻温省（Saskatchewan）Regina大学作访问学者。这地方是加拿大最冷的地区之一，10月初去的时候已经下雪入冬，第二年4月底回国的时候，雪还没有完全融化。加拿大虽然是世界第二大国家，但由于气候原因，90%以上的人都居住在南部边界线500公里范围内，北边地区由于处在北极及附近，基本没有人居住。在加拿大半年时间多待在学校或者家中看书学习，倒也十分安静。访学期间，经常去图书馆借书和看书，发现生态环境方面的书很多，占几间房，都很新，而水利工程方面的书很少，只有两个书架，且绝大多数出版时间都是上世纪的。这也难怪，西方国家从上世纪80年代进入后工业化时代，就很少再进行大规模的水利工程建设，污染工业和低端制造业都转移到发展中国家，自己主要发展高新技术、金融业等现代服务业，对生态环境保护也越来越重视，加上人口不多，所以全域生态环境质量很好，拿空气质量来说，大多数地区PM2.5都在10以内，像温哥华地区PM2.5常常在5左右，空气质量达到洁净水平，我们买了辆二手车开，半年没有洗过，也不脏。萨斯喀彻温省土壤肥沃，盛产小麦，品质优良，也得益于其良好的自然环境。

在Regina期间，我先后借了26本英文原著，下载了400多篇学术论文，多数是生态环境方面的，恶补了这方面的知识。印象最深的是那些英文原著不仅图文并茂，印刷质量精良，而且内容十分丰富，参考文献多，一个理论出现的前因后果说的非常清楚，对于短时间内掌握生态环境知识十分方便，其中有两个知识点印象深刻，一是关于微生物，二是关于森林大火。

微生物的奥秘

在生态系统中，微生物是生物的基础部分，也是生物食物链中的分解者，微生物包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，它虽然个体微小，却与人类生活密切相关。

微生物在自然界中可谓“无处不在，无处不有”，涵盖了有益有害的众多种类，具有体积小，面积大，吸收多，转化快，生长旺，繁殖快，适应强，易变异，分布广，种类多等特点。在显微镜等科学仪器发明前，曾经将一切生物分成截然不同的两大界——动物界和植物界，当科学家深入到微观生物界时，才开始对地球生命演进有了崭新的认识。从进化的角度，微生物是一切生物的前辈，如果假设地球年龄为一年的话，微生物约在3月20日就诞生了，而人类约在12月31日下午7时许才出现在地球上，可见微生物是其他一切生物的“祖先”。

许多微生物对人类不仅无害，而且十分重要，如弗莱明从青霉菌抑制其它细菌的生长中发现了青霉素，这对医药界来讲是一个划时代的发现，后来又有大量的抗生素从放线菌等细菌的代谢产物中筛选出来。抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命，现在仍然广泛为人类服务；一些微生物被广泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等；一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气等，并且可再生利用的潜力极大，被称为环保微生物。微生物对人类也有不利的方面：一些病毒和细菌能够使人、动物致病，甚至死亡，如目前流行的新冠病毒、流感等；一些微生物能够使食品、布匹、皮革和木材等有机物质发霉和腐烂。

从人类确认的种类数量来看，已发现的微生物有很多，但实际上由于培养方式和检测等技术手段的限制，自然界实际存在的很多微生物还没有被人类认识或确认，现今发现的微生物只占自然界存在的微生物中的很少一部分，大多数微生物还没有被分类和命名。所以，目前从事微生物研究的科学家很多，发表的论文影响因子都很高，如Cell（《细胞》）影响因子甚至比Nature（《自然》）和science（《科学》）还高。

微生物间的相互作用机制深奥又神秘，例如，健康人的肠道中即有大量细菌存在，称正常菌群，其中包含的细菌种类高达上百种。在肠道环境中这些细菌相互依存，互惠共生。微生物在食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收过程中都发挥着重要作用。但人类对细菌之间的相互作用机制还不全明白，一旦菌群失调，就会引起腹泻，使肠胃功能不正常。

微生物聚集最多的地方是土壤。通常在一克土壤里就有数亿个微生物，即使在荒无人烟的沙漠，一克砂土中也有十万多个微生物存在。它们一般都藏在土层表面以下10～20 厘米深处，土层越深、微生物数量就越少。最表层的土壤由于受阳光照射，水分又少，所以活的微生物数量也较少。土壤中微生物数量最多的是细菌，其次是放线菌和真菌等。

在一潭死水中，好氧微生物的生长繁殖使水中缺氧而形成厌氧环境，这使得厌氧的微生物大量增殖，它们在生活中会放出有恶臭的硫化氢、难闻的氨气和甲烷等各种气体，所以使水体又脏又臭。而经常流动的江、河里有足够的溶解氧，使好氧微生物能很好生长，这些微生物可将水中的有机物一部分转变成菌体，一部分转变成水和二氧化碳，而微生物菌体又能被一些低等动物吃掉，从而起到了清除水中杂质的作用，使水得到净化。人们常说“流水不腐”，实际上是丰富的溶解氧加上这些微生物相互作用的功劳。

微生物在生态系统中起到非常重要的作用，它担负着分解死去动植物等有机物质，将它们还原为有机和无机营养物质，完成物质循环和能量转化的作用。还有一些微生物能在极端环境中生存，例如，高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等普通生命体不能生存的环境，依然存在着一部分微生物。所以，微生物是生命的基础，也是物质循环的重要推手。

总之，人类对微生物的种类、生物特性及与环境关系的了解还很肤浅，还有待人类进一步去探索。

森林大火

2018到2020发生了几场让世人非常关注的森林大火。第一场是2018年11月初，美国加利福尼亚州森林发生火灾，这是数十年来加州最严重的山林大火，截至11月21日，大火过火面积达10万公顷，造成82人死亡，数百人失踪，受损的民宅及其他建筑至少10000栋，超过15万人被紧急疏散，估计损失超过200亿美元，是迄今为止加州历史上最惨烈、最具破坏性、最致命、最昂贵的火灾之一。

第二场是2019年8月巴西亚马逊雨林大火。亚马逊热带雨林本来比较潮湿，该地区一般每年火灾高潮出现在9月份，并在11月结束，但2019年因为干旱，提前在8月发生。实际上，亚马逊雨林每年都发生很多次火灾，巴西等国人已经习惯于山火频繁发生，只是2019年创纪录地发生了73000多起大小火灾，引起全球关注。要知道亚马逊雨林占世界雨林面积的一半，森林面积的20%，是全球最大及物种最多的热带雨林，它产生的氧气甚至占到全球氧气总量的10%，它的变化具有全球环境效应。

第三场是澳大利亚森林大火，从2019年9月开始，截至2020年2月，大火燃烧了200多天，到2020年2月大火才被雨水扑灭。这场大火过火面积达到1000万公顷，澳大利亚东南部几乎所有森林风景区均遭受灭顶之灾。据保守估计，至少有4.8亿只动物在大火中丧生，2500间房屋坍塌成废墟，27人火海丧生，其中包括3名消防员。一位澳大利亚学者计算得出，这场森林大火所释放的能量级别远远大于一个百万吨级的原子弹所释放的能量。

亚马孙热带雨林 摄影/ catersnews/ IC photo

森林大火在地质时期就有，森林、灌木和草原遇雷电、火山爆发和干燥天气都可能发生，属于自然现象，但自从人类学会用火以后，烧荒、烧秸秆、野炊、吸烟、电线火星、上坟烧纸和儿童玩火等，使森林大火发生几率大幅增加。

森林火灾是森林可燃物在热源的作用下，与空气中的氧气快速结合而释放出大量的热量并失去人为控制的过程，这种过程会对森林的生态系统和环境产生巨大影响，主要体现在：破坏了森林的结构、功能和生态系统的环境，使大片的森林化为乌有；烧毁后的废气、灰烬和烟尘粒子，会给大气、水资源、土壤及动物和人带来不同程度的损害；使森林的林相结构、生物、气象、水域和土地性能发生急剧的变化，降低了土壤涵养水源的作用，同时使得地面裸露，地温升高，林区的风力加大，造成水土流失。

由此可以看出，大规模的森林火灾对森林的危害十分严重，并给人民的生命财产和身体健康带来巨大的损失，所以积极防御森林大火并及时扑灭森林大火是十分必要的。

非洲纳米比亚 摄影/ VCG

人类诞生以前，地球也经常发生森林大火，所以，对于自然引起森林大火不仅应该认识其必然性，也要看到其有利的一面。从生态系统来看，火也是生态因子，是生态系统的一部分，森林中一些树种的种子只有在大火烧烤后才会破壳发芽，长期没有山火，它们可能会灭绝。如果你深入到原始树林，会感到脚下软绵绵的，每年凋落的树叶和树枝数量非常大，但微生物分解速度非常低，都积聚在表面，山火来了，像个清洁工，将这些积聚的有机质迅速分解，让它们进入泥土，成为养分，滋养土壤，促进森林的更新，实际上农民田中烧秸秆也有这层意义。不定期出现的森林大火会改变森林生态系统的结构，消减优势物种，维护森林生态系统多样性；同时被烧毁的杂草和地被覆盖物、腐生质能增加土壤的养分，促使土壤结构和成分发生变化，改善土壤的结构。在人类学会用火以前，地球大气中氧气含量稳定是靠地球植物（包括森林）吸收大气中二氧化碳，释放氧气，当大气中氧气含量过高，也要靠火山爆发和森林大火释放大量二氧化碳降低大气中氧气含量，维持大气组成稳定。大气中氧气含量过高，火灾风力越大（供氧能力越强），森林越容易燃烧，火灾损失也越大。

同为自然灾难，遭遇地震、洪水时，人们更强调适应性的管理，如预警、必要的撤离等，但提起森林火灾，过分强调与它战斗，不一定科学，首先要认识它发生的规律，在积极灭火的同时，更应该采取适应性管理措施。当然，我们要坚决预防人为引起的森林大火，它没有生态功能，只有毁灭。

洪水防治

人们常说“自然的东西都是美好的”，这对于食物、自然风光、干净的空气和水是对的，但对于病毒、森林大火、严重洪旱灾害、地震等就不对，虽然它们也是自然现象，但对于人类是有害的。对于有害的自然现象，不能指望靠“人定胜天”的鸿鹄之志试图去消灭它们，而是要学会与它们科学相处。

人们也常说“存在的就是合理的”，如自然界一切生存下来的物种，无论其数量是多是少，无论其形态是美丽还是丑陋，无论其对人类是有利或者无利，在生态系统中都有一定的生态功能，理论上都是值得保护的。但蚊子、臭虫、老鼠、钉螺（血吸虫的寄生物）等，对人类有百害而无一利，尽管人们试图用化学药剂去杀死它们，但无法消灭它们，只能采取措施去减轻它们对我们的危害。

既然坏的自然现象无法回避，坏的物种也无法消灭，人类只能走“人与自然和谐相处”之路。这话说说容易，做好却难。以防洪为例，虽然《老子》说“上善若水，水善利万物而不争”，但水也有无情、暴虐的一面。洪水的泛滥给人类带来过深重的灾难，人类的历史就是一部与水互为依存、互相斗争的历史。千百年来人类不断摸索，在自觉和不自觉中调整人与洪水的关系，由被动承受到主动适应。

概括起来，人类防治洪水可分为四个阶段：一是被动地适应洪水阶段。在这个时期，人口稀少，社会生产力水平低下，人类改造自然的能力很低，因而普遍采用了适应自然的策略。如北京周口店龙骨山的“北京猿人”，在洪水侵入居住洞口时，采用了暂时离开山洞、搬到更高的地势上居住的办法，称为避水术。《淮南子·齐俗》中“择丘陵而处之”，也是考虑到洪水到来时易于躲避。二是逐渐采取措施控制与防御洪水阶段。随着社会发展和生产力提高，人口不断增加，定居点逐步扩大，对土地的需求也日益增加，人类为保护自己的田地和家园，开始向洪水通道和调蓄洪水的湖泊进军，沿河、沿湖修建起阻挡洪水泛滥的连续的堤防，进入了与洪水对抗的阶段。三是试图完全控制洪水阶段。随着与洪水的斗争不断加剧，防御与控制洪水取得了初步胜利，人类的主观思想也不断膨胀，梦想与洪水斗争并战而胜之，彻底根治洪水灾害。于是，在相当长一个时期内，人类无视自然规律，开始无节制地修建众多的工程措施，包括堤防、水库和河道整治工程，试图控制洪水。四是逐渐与洪水和谐共处阶段。这一阶段也称为人类有意识地主动适应洪水阶段，西方是从20世纪90年代，我国是从“98年大洪水”以后开始的。面对全球不断发生的洪涝灾害，人们发现尽管不断地增加对防洪减灾的投入，不断地加高加固堤防，但根治洪水灾害的梦想仍无法实现。非但如此，随着人类经济社会的不断发展，洪水灾害所造成的经济损失仍与日俱增，从而陷入经济发展与洪水灾害相互竞争的恶性循环。人们逐渐意识到，人与水的关系不是对立的，而是一种动态的均衡博弈。所以，传统洪水的治理时代已经转变到洪水的风险管理时代，也就是在传统工程防洪基础上，更加重视防洪非工程措施，最主要的内容就是规范人类在防洪保护区土地利用行为，不要在高风险地区开发利用，其次是加强预报预警，一般洪水调控，特大洪水分洪蓄洪，撤离高风险地区，再其次是建立洪水保险制度，遇到洪灾及时补偿损失，尽快恢复发展。

总之，自然界充满奥秘，人们需要不断地探索，遵循自然规律，不应该、也不可能主宰自然、征服自然，而要应该学会尊重自然、保护自然，寻求与自然和谐共处的发展之道。