海平面下降与生物圈有关

· 如果全球变暖导致南极的冰盖融化，地球的洋面将进一步上升，沿海将有大片人口稠的地区深入大海。

· 在生物圈的生态循环过程中，一些微生物在代谢过程中排放甲烷等碳氢化合物气体。

自20世纪中叶以来，由于全球逐渐变暖，人们对于海洋洋面上升的担心逐步加重。全球温度平均上升4度，海水体积的热膨胀将导致洋面上升1米左右，这将导致海边的大片陆地的淹没。更为严重的是，如果全球变暖导致南极的冰盖融化，地球的洋面将进一步上升，沿海将有大片人口稠密的地区沉入大海。相当一段时间以来，担心全球变暖与洋面上升已经成为传媒、电影（例如美国大片《海上水世界》）以及通俗文章的时髦话题。但是，根据过去几年进行的一项研究分析表明，从更为长久的地质学年代来看，更令人关切不是地球洋面上升，而是地球在演化过程中逐步失去水分，导致海洋水位逐步下降，直至数亿年以后完全干涸。

研究表明，地球洋面水位下降与地球生物圈的存在与演化相关。

在生物圈的生态循环过程中，一些微生物在代谢过程中排放甲烷等碳氢化合物气体。这其实也是人们非常熟悉的一些事实，牛与羊在消化时产生这些气体，白蚁在生存过程中大量的产生这种气体，在水稻种植过程中也产生这种气体，湖泊、湿地与一些浅海也向大气排放这些气体。根据已经掌握的资料，全球每年排放的碳氢化合物气体总量以10亿吨单位计。人们已经注意到甲烷等碳氢化合物气体可以比二氧化碳更强烈地阻挡地球大气长波辐射，形成讨厌的温室效应。

人们的上述担心应当认为是有道理的。在生物圈生态活动过程中，汽车、火力发电厂，还有动物与一些细菌都产生令人关注的温室气体——二氧化碳。但是，二氧化碳被排放出来以后，还可以通过光合作用被植物吸收，形成新的有机物，成为地球生物圈中生态循环的一个环节。而甲烷等则不同，在生物圈生态活动中产生以后，不能通过光合作用重新被生态系统吸收，不再直接参与地球生物圈的生态循环。如果地球生物圈每年向地球大气排放10亿吨这些气体（在标准状态下，这些气体大约有2000立方公里），其积累以后产生的后果就不仅是温室效应的问题。更让人心惊肉跳的后果是，地球每隔一段时间——大约20万年左右，这在地质学年代中不算长——大气会因为甲烷等可燃气体太浓而发生全球性的瓦斯大爆发。

当然，事实上这种可怕局面并没有出现。尽管通过地球上的各种生物不断地向大气排放了无法返回生态循环的甲烷等气体，但在大气中，这些气体只是痕量地存在。这不禁令人疑问，这些气体产生以后到那里去了？

逃逸的氢哪去了

· 逃逸的氢更基本来源是甲烷等碳氢化合物气体在太阳紫外辐射致癌离解后的产物。

· 产生的氢一部分与氧结合形成水分子，返回大气层，另一部分则补充到地冕中，替代了已经逃逸的那些部分。

我们可以在高层大气层的研究发现一些重要线索。

1955年，还在将人造地球卫星送上地球轨道以前，人们运用探空火箭，在距离地面80公里的高空，观测到了夜空中氢原子的波长为1216埃共振辐射线。经过几年反复测量验证，人们得知高层大气中有大量氢原子存在，这在空间物理学中被称为“地冕”现象。

地冕中氢原子弥漫所及的最远空间，是地球中性大气的外边缘。而在摄氏20度的情况下，氢原子的运动速度应达到2700米/秒。如果温度为1000度，则氢原子的平均运动速度会达到接近5000米/秒，这正好是地面以上10000公里高度的物体环绕地球运动的速度。由于这时的逃逸速度已经由地面的11.2公里/秒下降到7公里/秒，显而易见，在低层大气与阳光的复合作用下，高层地冕中的氢原子运动速度比较高的部分会不可避免地达到逃逸速度，从而脱离地球，进入太空。

这种因逃逸而损失的氢原子，由较低高度的氢原子通过分子或原子之间的碰撞获得能量后不断向上传输而获得补充。而较低层大气中的氢原子的补偿从何而来的呢？以前人们认为，这些氢的根本来源为高层大气中的水分子在太阳紫外线下的分解产物。而作者则认为，逃逸的氢更基本来源是甲烷等碳氢化合物气体在太阳紫外辐射致离解后的产物：在距离地面数十公里高度上，甲烷等碳氢化合物气体被紫外线离解，产生的碳原子与氧结合形成一氧化碳与二氧化碳，返回生物圈循环，而产生的氢一部分与氧结合形成水分子，返回大气层，另一部分则补充到地冕中，替代了已经逃逸的那些部分。

但上述假设面临一个突出问题。由于逃逸的氢原子实际上来源于水，所以在氢原子逃逸以后，地球表面的氧含量增加，而且其增长速度应相当可观，如果每年产生的10亿吨甲烷中的氢原子一半通过地冕逃逸到外层空间，则应当在标准状态下向大气输送500立方公里的氧气。在标准状态下，地球目前具有氧气大约为10亿立方公里，这就是说，200万年以后，地球中氧气的含量应当增加一倍。换句话说，目前地球大气中氧气是过去200万年中积聚下来的。即使不计及更为久远的地球演化历史，就从生物大爆发的寒武纪算起，地球上生命繁茂时期已经经历了300个200万年，如果所有的氧气都集中在大气中，大气的压强至少应当在目前的大气压强50倍以上，而且氧气应当在这种大气中所占比例在99%以上。但是，已经具有的科学史实表明，地球在数亿年来大气的成分与压强基本稳定。那么，氢元素在地球大气中向上逃逸以后，剩余的氧元素到那里去了？

留下的氧在何处

· 地球内部的地学运动完全可以“不动声色”地吸收上述氢逃逸消耗水之后剩余的氧成分。

· 地球在漫长的地质学年代中经历着一个持续的水流失过程：氢通过作为烃基气体的太阳紫外线的光化学作用离解产物向外空逃逸，而氧则随地质活动进入了地球内部。

实际上，从现代的地球模型及其演化方式可以看出氢逃逸消耗水之后剩余氧成分的去向。

大家知道，地幔是地球内部位于地壳与地核之间的构造层，其质量占地球全部的66%左右。地壳是包裹着整个地球内部的薄壳。质量不及全球的0.5%。

就整体而言，在地球的化学成分中，铁的含量最高（35%），其他元素依次为氧（30%）、硅（15%）、镁（13%）等。就地壳计算，氧最多，其他依次为硅、铝、铁、镁等。这些元素多以化合物形式存在。

根据当代地质学的研究成果，地球内部的放射热能积累导致地幔物质的热对流。在地幔的加热中心，物质变轻，缓慢上升，到达上层的软流圈顶转为反向的平流，平流一定距离后与另一相向平流相遇而成为下降流，继而又在深处相背平流到上升流的底部，补充上升流，从而形成一个环形对流体。

在上述过程中，地球的内部物质与表面物质自然地形成了交流。从地下向地表流出的物质中，包含了氧、硅、铝、铁、硫等多种元素。这些元素多形成化合物，少量为单质。在地壳表层，氧化作用是充气带中最常见的风化方式。在富含氧的水不断地下渗时，氧化作用可以延伸到地下相当深的部位。含铁的原生硅酸盐矿物在地下深部缺氧条件下形成的是低价铁的化合物，出露地表后氧化，则解体形成高价铁的氧化物或氢氧化物。这些过程吸收了氢向外空逃逸导致水损耗后剩余的氧。

尤其值得一提的是，在洋中脊（线状延伸的海底山脉）中喷出的金属硫化物，实际上是地表中的氧最显眼的“杀手”。如一份硫化亚铁就可吸收5份半氧。

当然，上述各种吸氧过程随着大气层中氧气的含量下降而减弱，从而可以维持一个动态平衡过程。

由于地球的海洋与大气在地球总质量中所占的比例0.1%左右，即使海洋与大气中的氧元素全部进入地球内部，也不足以地球内的单质元素全部氧化，并且改变地幔与地核的元素比例。这就是说，地球内部的地学运动完全可以“不动声色”地吸收上述氢逃逸消耗水之后剩余氧成分。

上述讨论说明，在伴随生物圈生态循环过程中，地球在漫长的地质学年代中经历着一个持续的水流失过程：氢通过作为烃基气体的太阳紫外线的光化学作用离解产物向外空逃逸，而氧则随地质活动进入了地球内部。

前寒武纪生物大爆发成因

· 接近洋面的浅海海底的出现对于低等生物的突飞猛进的进化应当是个福音。较高级的生物逐步以浅海海底为基础向洋面、深海发展，形成生态系统的进化，海水的高消耗时期也随之到来。

· 化石记录中的前寒武纪生物大爆发时期应当对应于上述洋底高原成片露出洋面形成湿地的时期。

运用上述观点，我们可以更好地理解地球生物圈发展演化的过程。尤其是，我们可以用一种比较自然的方式说明前寒武纪生物大爆发的过程。

目前的流行理论认为，地球表面在地球诞生以后不久，就处于水陆并存的状态，几乎与目前情况相似。而我们推断，地球的早期是一个完全被水包围的星球。

在目前的太阳系中，我们还可以找到一个真实的例证：太空探测器“旅行者”与“伽利略”近距离观察结果表明，木星的大卫星之一——欧罗巴（即木卫二）的表面完全被冰冻覆盖。并且预计，在数公里冰层之下是一个深度达数十公里的水圈。

当然，由于欧罗巴与太阳的距离大约是地球到太阳的距离的5倍，地球通过阳光获得的能量应当是欧罗巴的25倍。所以，早期的地球尽管与目前欧罗巴一样没有陆地露出水面，但与欧罗巴的寒冷与冰天雪地情况不同，除两极以外，地球上的水应当处于液态状态。这样就使地球在形成之后不久，有可能在洋面上出现了以蓝藻为代表的原始生命。由于这个生物圈通过甲烷等气体的渠道消耗一定的氢，太阳紫外线也分解了高层大气中的一些水分子，增强了氢的损耗。氢流失自然导致的洋面缓慢下降。

随着海洋洋面的缓慢下降，海洋中的高原与山峰终于在6～7亿年前逐步接近洋面，形成浅海。

一般说来，比较高级的生物具有比较复杂的发育与成长过程，对于环境条件也有一些比较严格的要求。例如多数节肢动物在产卵，孵化，休眠的时候需要相对安静与平稳的环境。浅海海底的出现使较高级生物的发育与成长获得了温床与摇篮。这里具有透过海水的一些阳光，还具有比较充足从洋面溶入的氧，显得温暖、舒适而且营养丰富。

接近洋面的浅海海底的出现对于低等生物的突飞猛进的进化应当是个福音。当洋面上一些变异的生物群落经过不长的旅途偶然到达这些浅海海底以后，很快适应这里良好环境，落地生根，形成新的较高级的物种。此后，初等生物借助于浅海海底通过了向较高等生物发展的瓶颈以后，较高级的生物逐步以浅海海底为基础向洋面、深海发展，形成生态系统的进化，地球上生物圈进入了繁荣时期。当然，海水的高消耗时期也随之到来。

随着洋面的进一步降低而导致生态环境的进一步改善，加以较高等生物适应与变异能力的进步，地球的生态系统在这段时间应当呈现爆发式的发展。随着生态系统的发展，生物间的竞争甚至捕食也逐步出现，这导致早期在没有天敌与竞争情况下出现的一些竞争能力不强的生物在比较短的时期中灭绝。

上述论证与生命大爆发现象不谋而合。

化石的形成机制，也可以说明上述论证的合理性。根据地质学原理，生物之所以经过长期地质作用以后形成化石，不但需要有动植物具有形成化石所必须的一些条件以外，还需要具有对动物或者植物遗体动态的泥沙覆盖。根据海洋物理学的分析结果，在深水的情形下，尽管洋面上狂风暴雨、波浪滔天，但是海底可能依然一片宁静，这时在水下高原生存的生物不会遭遇泥沙覆盖的事件，所以也难以形成化石。而当地球水圈中水进一步散失，海面下的这些高原进一步接近洋面时，如果遭遇洋面上的巨大风浪，在浅海海底的这些高原就会掀起泥沙，并在其沉积的时候，可能使一些逃跑不够快的动物被覆盖，从而形成化石。一些运动比较快、或者保护得比较好的动物则可能在这种“温和”的覆盖中得以逃脱。这种假设与人们发现的较早期的动物化石一般是一些无硬壳裸露动物化石现象相吻合。

当浅海形成和湿地出现以后，潮汐作用与降水将导致比较猛烈的水流，它夹杂着泥沙像泥石流一样突如其来地向浅海中的生物扑来，这些生物就在所难免地被较大规模地覆盖。

于是，大量的化石得以形成，最终形成“生物大爆发”的化石记录。因此我们可以假定：化石记录中的前寒武纪生物大爆发时期应当对应于上述洋底高原成片露出洋面形成湿地的时期。

随着洋面进一步的下降，陆地终于出现，更高级的生物（例如两栖动物以及陆生动植物）也随后不久出现。

地球可能成为干涸的星球

· 过去的6亿年中，地球的洋面下降了5000米左右，流失了大约目前海洋中2倍的水量。

· 地球曾经是一个完全淹没在水中的星球，但在未来数亿年中，地球将由于生态系统的存在而耗干所有的水分，变成一个干涸的星球。

由于在露出海水以前没有经历强烈的风化作用与雨水冲刷，我们可以推测，地球上最初露出洋面的高原应当比目前世界上最高的青藏高原（平均海拔约为4000米）还高，可能达到海拔5000米。也就是说，自寒武纪以来，在过去的6亿年中，地球的洋面下降了5000米左右，或者说，地球在过去的6亿年中已经流失了大约目前海洋中2倍的水量。据此我们可以估计，地球在过去的6亿年中，每年平均损失5立方公里的水。

在2亿多年前的古生代与中生代交接时期可能是地球上生态系统极其繁荣的时期，也是地球生物圈“挥霍”水资源极其“大手大脚”的一段时期，在这段时期内，地球海水的损失率可能是目前的3~5倍左右。到了目前的地质年代（新生代的第四纪），由于浅海地区面积的缩小，陆地上沙漠的出现，大气中二氧化碳浓度的降低，生物圈已经远不如2亿年前那么繁茂，即地球的生物圈的生态活动已经得到了抑制，海水损失的速率已经降低。预计未来水位降低的速度还将下降。

综合上述探讨，可以认为地球曾经是一个完全淹没在水中的星球，由生物圈排放的甲烷等含氢气体在高层大气中被太阳紫外线所离解，形成氢原子地冕，导致氢流失。氢流失后的剩余氧给与地球内部流出的物质相结合，并随地质运动进入了地下，从而使大气的氧含量基本稳定，而海洋水位则逐步下降。前寒武纪生命大爆发应当对应于地球上最初的陆地露出洋面的时期。如果作进一步的推论，地球在未来数亿年中，将由于生态系统的存在而耗干所有的水分，变成一个干涸的星球。这似乎是一个有些令人担忧的推论。稍稍令人欣慰的是，这至少是2亿年以后的事情。人类文明如果在目前的基础上再发展2亿年，预计已经具有足够的能力来处理好地球水资源危机的问题了。