如何构建一个宜居星球？查尔斯•朗缪尔访谈

【作者】徐义刚

【翻译】赵思宇、杨阳

地球是太阳系中唯一一个已知的宜居星球。探究地球如何演变出其独特的宜居性一直是地球科学的前沿领域，也成为当前深空探测的重点之一。决定宜居星球形成的关键因素是什么？固体地球过程如何影响生命的起源和地表环境的调节？地球的宜居性研究是否与人类当前所面临的诸多挑战密切相关？这些问题吸引了科学界和公众的广泛兴趣。《国家科学评论》采访了来自美国哈佛大学的固体地球化学家查尔斯·朗缪尔（Charles H. Langmuir）教授，他对板块构造地球化学循环的诸多方面进行了系统性研究，涵盖了洋中脊、汇聚板块边缘和板内火山活动等。朗缪尔教授所著的《如何构建一个宜居星球》，被美国出版商协会评为2012年最佳地球科学书籍。

地球宜居性研究的重要性和历史

NSR：几年前，您与沃利·布洛克共同撰写了《如何构建一个宜居星球》，这本书在地球科学界和公众中产生了深远的影响。能否分享一下写这本书的初衷和过程？

朗缪尔：1984年，沃利首次出版了这本书。那是一本篇幅不长，只有七章的书，但它却贯穿了从宇宙大爆炸到人类时代的宏伟叙事。后来，沃利将教授这门课的任务交给了当时在哥伦比亚大学任教的我。我非常喜欢这本书，但我逐渐意识到课程需要增加更多关于固体地球科学的内容，并且原书的一些内容也已经显得有些过时了。

起初，我认为这项工作只是一个小项目，当我开始去做时，我很快就意识到还有很多遗漏之处。除了关于固体地球科学内容的不足外，书中也缺少关于地球生物学和地球历史的讨论——新兴的系外行星研究领域也尚未纳入。因此，这个“小项目”变成了一个持续十年的深入工作，期间我不得不学习很多我此前并不熟悉的领域，比如生命的起源和地球的历史。但这也成了一个难得的契机，让我得以从宏观角度思考整个宇宙，并将地球和人类置于这一广阔的背景之中。“我意识到这是一个关于行星进化的新兴主题，它是一种普遍的过程，并且我开始寻找那些超越地球上发生的特定细节的具有普适性的基本原则。

NSR：为何地球宜居性的研究如此重要？它与人类当前面临的全球变暖等挑战有关吗？

朗缪尔：目前普遍认为，全球变暖是我们面临的核心问题，我们必须采取措施应对，否则将对我们的生活舒适度和经济福祉造成负面影响。从这个角度来看，解决全球变暖似乎更多是经济学家和工程师的任务——我们应该投入多少资金来减轻全球变暖？哪种工程方案最具成本效益？因此，我们寻求可再生能源、电动汽车、电网重建等解决方案。同时，人们也希望在不做出牺牲的情况下解决问题，追求既能保护环境又不影响经济增长的双赢策略。

然而，撰写这本书的过程中，我逐渐形成了一个完全不同的看法。如果我们提出一个假设性问题：“如果我们明天就可以解决二氧化碳排放问题，我们面临的所有问题就都解决了吗？” 答案当然是否定的。与之相比，更棘手的问题是更加普遍且广泛的行星破坏过程。我们正在过度消耗地下水、侵蚀土壤、并以与过去大灭绝事件相同的规模和速度破坏地球上的其他生命。随着人口和经济的增长，我们不断砍伐森林、建造新城市、增加对肉类的消耗，不可避免地杀死了大量其他动植物，破坏了我们和所有其他生物共同依赖的地球系统。在当今世界，即使二氧化碳排放量降至零，经济增长仍旧导致行星的不断破坏。

因此，我认为我们需要建立一个“行星破坏指数”，就像GDP一样详尽和频繁地报告。大气变化只是其中一环，其他如生物多样性丧失、土壤退化、地下水耗竭、生物栖息地破坏、海洋酸化和人口问题也是重要组成部分。稍作思考就会发现，这个破坏指数的每个组成部分都在持续增加，哪怕我们大幅消减温室气体排放。

这种观点听起来或许相当悲观，但从长远的角度来看，地球的历史和演变过程中也存在积极的一面。地球最初是一块贫瘠的岩石，经历了长时间的沉寂，随后随着行星向新功能状态的演化而发生根本性的变化。比如，地球最初没有生命的状态可能维持了数亿年。最早的生命是原始海洋中的微小原核细胞，那时的大气中还没有氧气，这一状态持续了大约十亿年。光合作用的发展为地球提供了氧气，但对早期生物来说氧气是有毒的，于是生命又花了约十亿年的时间来适应氧气，并利用它从食物中获取更多能量。这种能量的增加促使了更复杂的单细胞生物——如变形虫和草履虫等真核细胞的出现。最终，地球表面被氧化，大气中氧气含量上升，多细胞生物开始了数亿年的演化历程——包括入侵陆地、演化出脊椎动物和树木等。从一个系统的视角来看这些阶段，而不仅仅专注于具体的细节，那么每个阶段都涉及到能量获取途径的增加和关系规模的扩大。

从这个系统性的背景来看，人类文明是行星演化的下一个阶段。我们在能量获取上经历了一场革命，这不仅让我们统治了所有生命，也支撑了人口的超指数级增长，并通过语言、印刷和以及各种形式的电子通信建立了一个全球网络，瞬时连接了全人类。关于我们是否已经进入了“人类世”这个问题有许多讨论——这在地质时间里只是一个非常微不足道的时间界限。我们在书中提出，我们可能正处于人类学时代的开始，而就其对行星功能的影响而言，这个时代的变化甚至比过去任何一个重大的行星功能变化都要显著。我们具有回顾过去、预见未来的能力，并理解从亚原子到宇宙的规模。我们还有能力进行定向的生物进化，这是令人难以置信的。进化不再只依赖于DNA的随机变化。这些都是45亿年来行星功能最大的变化，而且这些变化正在以惊人的速度发生。

NSR：如何从行星的角度来看地球宜居性？

朗缪尔：观察行星数十亿年的演变，我们会发现其演化路径绝非必然。大多数行星可能根本无法孕育生命，有些即使产生生命，也可能永远停留在单细胞生命阶段。例如，金星可能曾孕育早期生命，但由于它过于靠近太阳，导致温室效应失控。火星也可能曾有生命存在，甚至在其地下裂缝中至今仍可能藏有生命，但由于其体积小且距离太阳较远，生命难以持续发展。其他行星可能未经历氧气革命，或因巨大陨石撞击、流星掠过等外界因素而终结。就像一条雌鲑鱼产下数千颗卵，但只有极少数能够存活成年一样，每一阶段的发展都充满了挑战和危险。宇宙或许也是这样的，虽孕育无数行星，但只有少数能经历地球所经历的全面演化过程。

从这个视角来看，人类文明同样处于风险之中。我们正处于行星破坏的过程中，无法保证现有的文明能够长存。历史上的所有文明都经历了崩溃，这些崩溃虽然局限于部分地区，但在当今全球化的世界，任何文明的崩溃都将带来全球性的后果。

全球变暖仅是这一系列问题中的一环，即便在全球变暖的议题上，我们的考虑往往出自私心——它将如何影响我的生活？会对经济增长造成什么影响？它将如何威胁到我的生活环境？我们需要以行星的保护者和维护者的身份生活，而不仅仅是作为利用者，这要求我们从根本上改变个人及社会的行为模式。

探索地球的历史和进化过程可能会激发我们关于这些全球性及个人层面的问题，帮助我们理解自己的起源，对这个赋予我们生命并满足我们一切需要的地球和宇宙心存感激。当我们感到感激时，我们可能就会产生责任感，如果我们能真正做到这一点，那么我们与行星系统的关系可能会发生根本性的变化。那么，为什么研究地球的历史和演化很重要呢？因为它为我们提供了一个宏大的背景和视角，与人类存在的意义和目标紧密相关。

影响地球宜居性的关键因素

NSR：当我们从宏观角度审视宜居性问题，并将地球作为研究对象时，我们会发现许多特定因素共同促成了地球的宜居性。构建宜居星球需要哪些条件，这些条件在宇宙中普遍存在的概率有多大？

朗缪尔：宜居性的一个基本要求是气候稳定性，这取决于行星的挥发份浓度，尤其是二氧化碳和氧气。这些成分中的三种元素（C、H、O）也构成了生命体质量的90%以上。除了不参与反应的氦，这三种元素（C、H、O）是银河系中最常见的元素。因此，宇宙中充满了维持气候稳定和支持生命所需的分子。然而，在地球这样的岩石行星上，挥发份并不是高效积累的，使得它们在地球上相对其他元素的总量较少。幸运的是，它们能在深部岩浆中溶解，并在地表释放，从而导致这些挥发份富集在行星表层。但仍有许多因素可能会导致类地行星上挥发份含量的巨大差异。

大气中挥发份保持准确的浓度有多重要？地球表面的水刚刚好填满了海洋盆地，海洋和大陆的共存为长期的气候稳定提供了基础。这是否是一个幸运的偶然，还是我们尚未理解的某种反馈机制的结果？拥有更多水的行星会成为“水世界”吗？这样的世界是否还能维持稳定的气候和生命存在？大气中二氧化碳的准确浓度对行星温度至关重要。我们已经认识到大气中二氧化碳浓度的变化会对气候产生影响，但如果一个行星的二氧化碳浓度少了十倍或多了十倍又会如何？

氧气的丰度是当今地球生态系统的核心，几亿年来它大致保持在一个狭窄的范围内。是什么反馈机制在控制着大气中的氧气浓度？这些机制在行星历史上是如何运作的？在不同行星上又会有怎样的变化？一个经常被忽视的关键是固体地球所扮演的角色。板块构造和火山活动是决定表面挥发份丰度的关键。大气中氧气的演变不仅依赖于光合作用和有机碳的埋藏所形成的氧气的“源”，还取决于氧气的“汇”，其中大部分通过固体地球中铁和硫的氧化还原反应来实现。

探讨行星宜居性的普遍性引出了新的视角。例如，是否存在某种反馈机制，确保行星表面拥有适量的水？生命的出现是否常伴随着行星表面从还原状态向氧化状态的转变？板块构造的运行及其在链接行星不同圈层之间的效率似乎很大程度上取决于行星的质量。为了维持恰当的挥发份浓度，行星是不是既需要位于其恒星的宜居区域内，同时也需要有一个适中的体积？这些问题的研究才刚刚起步，我们目前所依赖的还只是理想化的模型，这些模型可能无法为我们提供确切的答案。

在行星演化的过程中，可能存在一些超越具体情况、适用于不同行星环境的基本准则。首先，宜居性会孕育宜居性。如果生命形式破坏了它所依赖的环境，最终将无法存续；而那些能够创造更加宜居环境的生命系统将得以繁荣发展。其次，对于生命而言，能够获取更多的能量为其提供了进化上的优势。这意味着，生命会逐渐进化以利用越来越多的能量，正如我们在地球上观察到的那样。第三，共生、反馈和关系的优势。稳定的生态系统能够长期存在，从而可以在生物进化的过程中取得成功。尽管这些原则在具体的生物表达和行星演变中的体现可能在不同的行星上大相径庭，但这些原则难道不是普遍的吗？最后，以地球为例，随着时间的推移，行星将孕育出丰富的资源——土壤、地下水、矿床、化石燃料等。这些资源静候能够利用它们的生命形式出现。如果这些原则普遍适用，那么除非发生灾难性事件，智慧文明难道不是行星发展最终的结果吗？

NSR：哪些发现对解决这些问题最为关键？

朗缪尔：我绝非唯一认为探究“生命在银河系中的普遍性”是极其重要的人。生命是“行星的常态”还是极其罕见？如果我们在其他地方发现了生命，就能对这一问题给出确定的答案。坚持生命稀有、地球独一无二的论点，意味着从统计学角度看，生命存在的可能性极低。如何从杂乱无章的分子集合中孕育出高度有序的生命呢？银河系中有1000到2000亿颗恒星，天文学家告诉我们，大部分恒星周围都存在行星，这就提供了约一万亿个生命可能存在的机会。即使生命出现的概率是百万分之一，银河系内也仍可能有一百万颗拥有生命的行星。不过，我们偶然发现其中一个的几率也是百万分之一。迄今为止，天文学家仅发现了数千颗其他行星，因此我们还需要经历无数代的探索。因此，如果我们在其他地方——无论是火星、木卫二还是另一个太阳系的行星——找到生命存在的证据，那将表明生命在宇宙中极为丰富，这并非偶然，而是宇宙的固有特性。

另一项具有里程碑意义的发现将是在实验室中产生生命的能力。在这一领域已经取得了显著的进展。考虑到人类存在的时间极短，与地球早期可能存在的环境多样性相比，我们的想象力极为有限，如果我们能在实验室中创造出能够孕育生命的条件，那么生命的起源就会变得相对简单。一旦我们能够在实验室中创造出一个原始生命形态，随着时间的推移，生物进化便能催生出令人惊叹的生命多样性。制造一个简单的原细胞，如果我们能够在微小的人类时间尺度做到这一点，那么生命很可能在宇宙中无处不在。

我希望能亲眼见证这些发现，因为那将是人类历史上的转折点——我们将坚定地认识到，我们并不孤单；我们是这个生机勃勃的宇宙中的一份子。

给年轻一代研究者的寄语

NSR：您能为致力于挥发份循环和地球宜居性领域研究的学生与年轻科学家提供哪些建议？

朗缪尔：年轻科学家常问我如何才能在《自然》或《科学》杂志上发表文章，因为这些发表往往对他们的职业发展至关重要。要在这些顶尖期刊上发表论文，关键是提出好的问题，对自己的研究充满热情，深入探索问题，并对发现持开放态度。如果你确实有所发现，运气好的话，遇到合适的编辑和审稿人，你的研究就能发表在《自然》上。这不是能够人为制造出来的。在我的职业生涯中，许多重要的论文并没有发表在《自然》和《科学》上。重要的不应是发表的地方，而是论文的质量。

伟大科学家的共同特质在于他们对世界保持开放的心态，对所观察到的现象提出质疑，因此他们有时会发现被别人忽视的新事物。如果你能找到正确的问题并坚持探索到底，常常会让人惊叹“这太明显了！我之前怎么没想到？”。我的叔祖父获得过诺贝尔化学奖，但他最重要的发现之一却是在物理海洋学领域。他热爱户外活动，即使在恶劣的天气条件下也是如此。有一天，当他乘坐一艘穿越大西洋的船只时，遇到了一场狂风暴雨。他走到甲板上，感受着风和浪。他看着水面，发现海藻排列成了与风平行的等距线。当风向改变时，这种排列在半小时内发生了变化。这对于水手来说可能已经显而易见了上千年，但他看到了，并且问自己，这是怎么发生的呢？后来，他夏季去了湖边的小屋，当暴风雨来临时，他划着小船，将雨伞浸入水中，发现雨伞随水波旋转，显示出与风向平行的对流单元。他不仅定义了这种流动，还测量了其流速。“朗缪尔环流”如今被认为是浅海区域水体混合的主要形式，是物理海洋学领域研究的核心。

另一次，他在风平浪静的日子里划船时，注意到引擎滴落的一滴油在水面上扩散成一大片，他问自己：“那层油有多厚？”进行了测量，发现了单分子薄膜，现在有一本关于表面化学的期刊以他的名字命名。

他之所以能做出这些发现，并不是因为他想在《科学》或《自然》上发表文章。他之所以能够取得成就，是因为对世界充满好奇，并通过巧妙的实验和发表成果来追随他的好奇心。晚年时，他的整个职业生涯都在享受科研的乐趣。

小时候，我父亲通过和我一起做有趣的科学实验，延续了这一传统——将蜡烛放入牛奶瓶中制造真空使得煮熟的鸡蛋吸入瓶中，让二氧化碳中的气泡漂浮，吸入氦气让声音变尖细，制作简单的仪器。我学到了科学是实践的，也是有趣的。在我的职业生涯中，我非常幸运地也能在做自己喜爱的事情中找到乐趣。我从未想过通过科学研究获得奖项或变得富有。当然，这其中也有一些运气——我很幸运地进入了火山地球化学领域，当时这一领域的数据非常少，海洋的探索也非常有限。当然，在现行体系下，我必须撰写带有假设性的项目申请书，就好像可以预先设计出科学创新一样。但当船出海开展新的探索，或者有新数据涌现时，我都会保持警醒，迎接可能的发现。事实上，这种发现确实会偶尔出现。
回顾我的职业生涯，我认为有几个方面非常重要。首先是获取高质量的数据。要对数据质量合理质疑，并努力确保其准确性，高质量的数据具有永恒的价值。其次，确保对数据进行定量模拟，并全面考虑各种数据，不仅仅局限于自己对某个同位素比值的分析。否则，你提出的想法和理论可能行不通，也经不起时间的考验。最后，虽然科研领域可能竞争激烈，但人际关系更加重要。如果在职业生涯的尾声，你有很多重要论文但却没有朋友，你会感到不满足。因此，要对学生、博士后以及同行慷慨地分享自己的样品。科学是一种集体活动——通过人际关系网的进步才能实现，我们需要建立培养这些联系。

【徐义刚，中国科学院广州地球化学研究所研究员，《国家科学评论》编委，“宜居星球中挥发份的起源与循环专题”客座编辑。本文英文版：How to build a habitable planet: an interview with Charles H. Langmuir，DOI：10.1093‍/nsr/nwae060】