【亚马逊雨林的大火延烧多日，许多人忧心忡忡。如果有些物种毁于大火，生物多样性的损失确实难以挽回，但对大气的影响则复杂得多。有些常见的问题需要解答：氧气都是绿色植物产生的吗？地球在多大程度上能够“消化”气体成分的波动？

本文经授权，改编自《盖娅：地球生命的新视野》一书，作者为“盖娅假说”提出者、独立科学家詹姆斯·拉伍洛克。】

今天地球上到处都能够获得化学动力，大多数地方都可以生火。的确，大气中的氧气成分只需提高大约4%，就会引起世界性火灾。氧气成分达到25%时，一旦着起火来，即使是潮湿的植被也会不断地燃烧下去，如此一来，闪电引发的森林大火将会烈焰冲天，直到所有可以燃烧的物质全部烧光。

一些科幻故事赋予其他世界以丰富氧气含量的大气层，纯粹是虚构的——那些英雄人物的太空飞船一旦着陆，就会毁灭那个星球。

大火过后的亚马逊雨林，图片来源：视觉中国

潮湿的雨林，为何也能燃烧？

氧气在整个地球范围内确定了化学能量的参照水平，只要有一定的易燃物质，就可能在地球上的任何地方点燃火焰。氧气提供了足够大的化学势差，让鸟类飞行，让我们奔跑并在冬天保持温暖，或许还表现为让我们能够思考。

现在的氧张力水平对于当前生物圈的意义，就像高压电对于20世纪的生活方式一样——万物在达不到这一水平的情况下能够生存，但是各种潜在的可能性大大降低。这一类比非常贴切，因为化学的好处之一，就是能够根据用电测量并以伏特表示的还原—氧化（氧化还原电位），来表达环境的氧化能力。事实上，这一电位就是一个假想电池的电压，电池的一个电极是氧气，另一个电极是食物。

但无论是高的化学势，还是高的电位来源（sources of high potential）都是危险的。氧气尤其危险。我们现在的大气中氧气水平是21%，这是保证生命安全的上限。浓度即使只有少量增加，也会极大地增加火灾的危险。氧气在现在的浓度水平上每增加1%，闪电造成森林大火的概率就增加70%。氧气浓度达到25%以上时很少有植被能够生存下来，一旦大火肆虐，就会一起摧毁热带雨林和北极冻原。

雷丁大学的安德鲁·沃森通过实验，在一系列非常接近自然森林的条件下证实了大火的概率。

空气中不同氧气浓度下草地或森林大火的概率。自然大火的燃烧是由闪电或自发燃烧造成的；它们的概率极大地取决于自然化石燃料的湿度。每条线对应于一个不同的湿度水平，从完全干燥（0%）到可见湿度（45%）。就目前的氧气含量（21%）而言，大火不会在湿度超过15%的条件下燃烧。当氧气含量达到25%时，即使是雨林中潮湿的嫩枝和青草也会燃烧起来。

现在的氧气水平是处于风险和收益完美平衡的点上。森林火灾确实发生了，但是次数不多，尚不能干扰21%的氧气所容许的高生产力。从这方面来看它也像电流。

当电源电压增加时，在传递过程中的能量损失以及所需铜缆的总量大大减少，但是，为家庭消费提供250 伏的电压是恰当的，此时没有难以接受的由电击或起火带来的死亡危险。

氧气从哪里来？

绿色植物和海藻的光合作用所产生的几乎全部氧气都在大气中循环，并在相对较短的时空内在另外一种基础生命活动——呼吸作用——中耗尽。显然，这一互补过程永远都不可能造成氧气的净增加。那么，大气中的氧气是如何聚集起来的呢？

直到最近，人们一直认为氧气的主要来源是高层大气中的水蒸气光解作用产生的，水分子在那里被分解，重量很轻的氢原子逃逸到地球引力场之外，留下氧原子在气体的分子中结合或在臭氧中以3 个氧原子的方式结合。

这一过程的确造成了氧气的净增加，不过，虽然在过去它非常重要，但这种氧气来源对于现在的生物圈来说是可以忽略不计的。

毫无疑问的是，大气中氧气的主要来源是1951 年由鲁比首次提出的，具体如下：在沉积岩中储藏了少量碳元素，这些碳元素由绿色植物和海藻固着在其自身组织的有机物中；每年大约0.1% 固着的碳与被水从陆地表面冲刷携带进入海洋和河流的植物残骸一起沉积，每个碳原子从而脱离了光合作用和呼吸作用的循环系统，在空气中留下一个多余的氧分子。

如果没有这一过程，氧气就会与因为风化、地球运动和火山爆发释放的气体所形成的还原性物质发生反应而从空气中不断消失。

有人讽刺说，衡量一个科学家知名度的标准，是他在本领域内阻碍进步的时间长短。就这一规则而言，巴斯德也不例外。他对于大气中的氧气出现之前只可能存在低级的生命形式这一假定负有责任。这一观念产生了长期影响。

但是我们现在相信，即使那些最早的光合作用发生时也有与现在微生物所用的一样高的化学势。现在由氧气提供的巨大势能梯度，在当时只能在这类发生光合作用的生物体的细胞中取得。后来，随着这类细胞的增加，这种能量梯度延伸到微环境，并随着生命的演化而不断扩展，直到地球上最初还原性的物质全部氧化，最终氧气获得自由后出现在空气中。

然而，从最初开始，进行光合作用的细胞中的氧化剂与消耗氧气的外部环境之间，就存在着巨大的势能差，就像现在的外部氧气与细胞内部的养分之间的势能差一样巨大。

包括雨林在内的生物圈，与二氧化碳浓度有什么关系？

很多地球化学家认为，大气中的二氧化碳含量（0.03%）通过与海水的简单反应而在短期内保持恒定。对那些具有技术思维的人来说，二氧化碳和水、碳酸及其溶液中的阴离子之间是平衡的。我们已经发现盖娅机制使二氧化碳保持在与适宜温度相适合的水平，而且一直如此。

以这种形式松散地存在于海洋中的二氧化碳，几乎是空气中二氧化碳的50倍。如果空气中的二氧化碳含量由于任何原因而下降，那么海洋中的大量二氧化碳储备就会释放一些，以便恢复空气中二氧化碳的正常水平。

现在，大气中的二氧化碳含量正在不断增加，原因就是化石燃料的普遍消耗。即使我们明天就停止燃烧这些燃料，那么大气中的二氧化碳也需要1 000 年的时间才能恢复到正常水平，到那时空气中气体的含量和海洋中的碳酸盐之间的平衡才能重新建立。

如果盖娅对二氧化碳具有调节作用，那么很可能是通过间接协助的方式帮助其建立平衡，而不是与之对抗。然而，要想区分人工引导的平衡和自然状态的平衡并非一件容易的事情，这种区分也许仅仅决定于环境证据。

从长远的地质时间尺度来看，海床和地壳中的硅酸岩层和碳酸岩层之间的平衡，应该提供更多的储备以确保二氧化碳的恒定水平。如果情况确实如此，那么盖娅还有参与的必要吗？如果平衡的获得对整个生物圈来说速度还不够快，那么盖娅的参与也许的确是有必要的。

盖娅是古希腊的大地之神，在盖娅假说中，整个地球被看作是一个生命有机体

这种情况就像一个人在一个春天的早晨发现自己因为积雪封门不能出门上班。虽然他知道积雪总会融化，但是他不能等到大自然按照正常的程序把雪融化掉，而必须用一把铲子迅速清除积雪。

有很多证据表明，就二氧化碳的情况来说，盖娅没有耐心等待朝向自然平衡进发的悠然自得的过程。大多数生命形式包含碳酸酐酶（enzyme carbonic anhydrase），它可以加速二氧化碳和水之间的反应。含碳酸盐的贝壳持续下沉到海底，并最终在那里形成由白垩或石灰石岩层，从而阻止二氧化碳滞留在海水上部。A.E.林武德（A.E. Ringwood）博士认为，各种形式的生命不断分解土壤和岩石，从而加速了二氧化碳、水和碳酸岩之间的化学反应。

似乎有这样一种可能性：如果没有生命的干涉，二氧化碳就会在空气中积聚，最终达到危险的含量。作为一种“温室”气体，它与水蒸气一起存在于现在的大气中，这样就会使温度比其他可能的情况高出几十度。如果由于矿物燃料的燃烧导致二氧化碳的水平迅速上升，而无机界的平衡力量又无法处理，那么过热的威胁就会更加严重。

所幸的是，这种温室气体与生物圈之间发生剧烈的相互作用。二氧化碳不仅是光合作用所需要的碳的来源，而且很多异养生物（即非光合作用的）也会移走大气中的二氧化碳，把它转化为有机物质。甚至动物也会摄入少量大气中的二氧化碳，当然，几乎所有有机体都通过呼吸把它释放出来。

事实上，无机平衡或稳定态过程看上去决定一种气体在大气中的浓度的程度越大，其生物参与活动的程度就越大。这在盖娅环境中并不奇怪，因为盖娅总是积极控制环境，它的策略总是使现存的条件转向有利于它们自身。

（本文经授权，改编自《盖娅：地球生命的新视野》一书，作者为“盖娅假说”提出者、独立科学家詹姆斯·拉伍洛克，肖显静 范祥东 译，肖显静 等校，格致出版社2019年8月出版。）