第1章 地球一览

宇宙大爆炸、宇宙尘、引力作用、核聚变、静电力作用、阳光、液态水、

天体碰撞、月球、地轴倾斜……最终，一个适宜生命存在的独特星球形成了。

在这个星球上，所有呼吸着的生命能够存在皆因幸运。

人类上一次向独自飘浮在漆黑太空中的美丽地球回眸已是50多年前的事了。自1972年阿波罗17号登月任务完成，人类就再也没有过登月经历，再也没有站在足够远的地方从特别的角度观察我们的地球家园。人类后来所有的探索都在近地轨道上进行，一般距地球只有350千米，由于离直径12 700多千米的地球太近，我们只能看见地球的弧面。而在月球上回望，我们能看见一个孤零零的蓝色星球包裹在层层白云之中。透过云层，可以瞥见陆地上的些许绿色。我们都知道，绿色是生命的颜色。我们的星球在太阳系中是独一无二的，因为生命只存在于地球上。这似乎仅是个小概率事件，但意义非比寻常。宇宙的骰子一经掷出，我们的星球便得到运气最好的结果。

幸运的星球

太阳系产生于50亿至45亿年前，它脱胎于宇宙大爆炸时产生的尘埃和气体。受引力的作用，尘埃和气体开始向其中心坍缩，并开始旋转。在这个旋转盘的中心，温度不断升高，氢气聚变为氦核，于是就形成了太阳。接下来，尘埃颗粒在静电力和其他力的作用下聚拢起来，并逐渐形成越来越大的岩石。引力再将这些岩石吸引聚拢起来，岩石越来越大，最终形成了各颗行星。离太阳最近的4颗行星—水星、金星、地球和火星，是拥有金属内核的岩石行星，其组成基本都是高熔点的固体物质。而离太阳稍远些的是气体行星，包括木星、土星、天王星和海王星。

地球在形成初期，便从其自身分化出许多不同的层面。地球中心的放射性物质经过自然衰变，产生了巨大的热量，将大多数岩石熔化，形成了“地幔”。地幔表面又形成了温度较低的坚硬地壳，地壳的厚度之于地幔，相当于桃的果皮之于果肉。因此时至今日，熔岩还是会定期地从“薄薄”的地壳之下喷涌出来。熔岩喷发伴随着氮气和二氧化碳等气体的释放，这些气体是地球大气层形成的基础。水蒸气随着这些气体大量排出，当它冷凝之后，就形成了海洋。40亿年前，正是在这片汪洋之中，进化产生了最初的简单生命形态。

地球的邻近星球上也存在熔岩活动及各种气体（包括水蒸气）的释放现象，但据我们所知，太阳系里还没有第二个星球存在生命。究其原因似乎这一切只是简单的宇宙巧合：地球碰巧在恰当的轨道上围绕着太阳运转。水星是离太阳最近的行星，通常测定距离为5 790万千米，没有大气层。水星是所有行星里昼夜温差最大的，白天的表面平均温度有440摄氏度，而夜间则骤降至零下160摄氏度以下。难以想象，有任何生命形式能够在如此极端的温度下生存，更不必说还有如此之大的昼夜温差。金星距离太阳1.082亿千米，其大气层厚实，富含二氧化碳。强烈的温室效应使得金星终年高温，表面平均温度可达480摄氏度。

对生命而言，如果说金星太过炎热，火星可能就太过寒冷了。火星距离太阳2.28亿千米，其大气层非常稀薄，二氧化碳含量极少。火星的表面平均温度常年维持在零下60摄氏度，即使其地表下或是极地有水存在，那也只可能是冰冻状态的水。

而我们的星球和太阳之间的距离却恰到好处，适宜生命存在。地球距离太阳1.496亿千米，大气层厚度中等，二氧化碳含量适中，这些都有助于将地球的表面平均温度维持在完美的17摄氏度。我们居住在一个“金凤花”星球（译者注：出自童话《金凤花姑娘和三只熊》） ，就像童话里的那碗粥一样，地球既不会太热又不会太冷，而是“恰到好处”，适宜生命存在。

源自月球的生命

当宇航员从月球上回望地球时，他们也许并没有完全意识到，他们脚下的这颗卫星对于地球上生命的产生和延续，曾经扮演过并且依然扮演着多么重要的角色。月球是生命进化的设计师，如果没有它，也许就没有了今日的我们。宇宙巧合再一次站在了人类这一边。人们普遍认为，月球形成于45亿年前，由一颗火星大小的行星和早期地球相撞而产生。剧烈的碰撞将大量地壳残骸抛射到宇宙空间，这些碎片相互吸引，逐渐结合起来，形成了围绕地球旋转的月球。而撞击地球的行星碰巧也拥有一颗液态铁的金属内核，它在碰撞的高温作用下，与地球上已存在的液态铁相结合，于是我们的星球就有了一个更为庞大的铁核。正是这个铁核产生了地球的磁场，其作用就如同防御盾牌，可以抵御诸如太阳风这样的从太阳上喷射出的粒子流。在地球的两极，磁场强度有所减弱，太阳粒子得以穿透并进入大气层，产生绚丽多彩的发光现象，令人叹为观止，这就是北极光和南极光。不过，大多数情况下，大气层都能保护地球免受致命的紫外线辐射，若非如此，地表就会被烤焦，所有生灵都将遭到毁灭。

这场撞击还有其他的深远影响。地壳残骸的大量碎片被抛射到宇宙空间形成了月球，以至于地球上剩下的地壳大概只有原来的30%，而且剩下的部分过于稀薄，致使大陆板块更容易向四处移动。大陆漂移说对于推导物种的进化起到了关键的作用。在过去的上亿年间，自由漂移的陆地不断地重塑地貌。它们相互碰撞，产生了像喜马拉雅山这样的巨大山脉；它们相互撕扯，又形成了像非洲大裂谷这样的宽阔峡谷。在这一过程中，形形色色的生态环境层出不穷，各种各样的生命通过发展进化，得以开拓利用不断变化的环境资源。如果没有这次碰撞，大陆板块就将紧密地连接在一起，就像金星上那样，那么地球上就不会拥有今天如此多样性的生态环境了。

这场碰撞还产生了另一个戏剧性的结果。由于天体的撞击，地球不再绕着垂直于公转轨道面的轴旋转。撞击使得地轴倾斜，与该垂直轴形成了约23度的夹角，这一倾角维持至今。如果没有这个倾角，地球上的生命将会大不相同。全球的白昼长度将会终年相等，太阳的升温效应也将在全年保持不变，季节变迁将不复存在。没有了夏天的高温，两极地区将普遍变得更为寒冷，极地冰冻的影响也将进一步延伸至赤道地区。亚热带地区将不再出现干湿季节交替，地球的沙漠面积将更大。如此这般，动物也不必随季节而迁徙，生物种类可能会因此少了许多。

月球是太阳系所有卫星中相对所属行星来说体积最大的卫星，这使得它对地球产生了强大的引力影响。月球对地球所施加的引力是形成潮汐现象的主导因素。较不为人所知但却同样重要的是，月球引力对地轴倾角具有稳定作用。如果没有这样一颗近距离的大型卫星，地球就会任由太阳和木星的双重引力作用摆布。这种引力的大小会随着木星运行时靠近和远离而有所变化。如果没有月球这个陀螺仪的稳定作用，地球的地轴倾角将会变得混乱无序，与垂直轴的夹角有时甚至会达到90度。这可能导致北极直接指向太阳，从而引起冰盖融化，洪水泛滥于整个地球。因此，月球是至关重要的地球气候调节器，它为物种进化提供了稳定的生存环境。

阳光和水 生命之源

地球上所有生物的生存归根结底都靠两个关键要素—太阳和液态水。长久以来，这一观点被广泛接受。直到1977年，深海探险家在海底灼热的火山口周围发现了一种全新的动物生态系统。海底3 000米的深处一片漆黑，但这一群落却像最丰富多样的珊瑚礁一样丰饶，当时没有人知道它们是如何获取能量的。最终有人发现，有种特殊的细菌能够从火山口喷发出的硫化物中摄取自身所需的能量。但即使是处于这一食物链中的动物，也不能完全脱离太阳生存。它们都需要利用氧气来分解化合物获取能量，这些化合物由细菌产生，动物也可以通过食用细菌本身来摄取。这些氧气是由浅水中的植物利用光合作用制造的，而这些植物本身又通过太阳来获取能量。乍一看，海底火山口的生物群落似乎不需要太阳，但它们终究只能在太阳可以照射到的星球上生存。

太阳能泵

地球上有各种各样的生态环境，从富饶的热带丛林到贫瘠的极地荒原，生态的多样主要源自阳光和水分这两个关键要素的变化。地球各处接收到的太阳辐射能量各不相同。赤道附近获得的太阳辐射能量较多，因为太阳光在此处经过的大气路程比在两极的短。纬度越高，太阳高度角越小，这意味着等量太阳光所辐射的面积在两极地区比在热带地区要大。

陆地上可以被生物所利用的水资源分布十分复杂，这种分布仍然很大程度上受到太阳的影响。地球上90%的淡水都来自海洋的蒸发，其中大部分来自近赤道的温暖的热带海洋，其余10%则来自江河湖泊的表面蒸发或是植物的蒸腾作用。向上运动的热空气将水蒸气送入大气，水蒸气在这一过程中冷却凝结形成了云，然后被风吹散到世界各地。云究竟会在何处下雨取决于许多因素，但山体的存在起了关键作用。山体的阻隔迫使云爬升并冷却，水蒸气因此冷凝成了雨水。又由于大部分的太阳辐射都落到了赤道地区，因此我们会发现，在这里上升的热空气绝大部分都携带着水汽进入了大气层。随着空气的上升和冷凝，大量降水便倾盆而至。这部分因为降水而损失了水分的空气，由于地球自转而发生转向，从赤道分别流向南北两侧。当它到较冷的高纬度地区时，便会下沉，正是这样的干燥空气形成了南北回归线附近的热带沙漠。

海洋生物的丰富度和数量也主要取决于太阳辐射能量的多少。太阳光能够照射到海面以下大约100米的深处，在这一深度以上，生存着90%的海洋生物。海洋生物群落的形成，主要取决于重要养分——尤其是磷和氮——的多少，并不取决于水源。尽管热带海洋接收的太阳辐射能量最多，但除了珊瑚礁和海草场之外，大部分热带海域的生物种类并不丰富。这是因为这里的海水过于平静，大部分营养物质都沉于海底。海洋中资源最丰饶的往往是波涛汹涌的温带海域，或是可以提供丰富营养物质的上升流海域。

富饶的赤道 贫瘠的两极

由于全年阳光充足，淡水资源丰沛，赤道附近的热带地区自然而然地拥有地球上最丰富多产的生态系统。热带雨林孕育着非常丰富的生物资源，与其他生态环境相比，这里的植物最为繁盛。在热带雨林，0.01平方千米的面积上可能生长着多达200种树木；而在温带森林，相同面积上仅有10～20种树木。尽管目前热带雨林仅占全球陆地总面积的3%，但人们普遍认为它所孕育的动植物种类超过了已知物种的50%。这里有得天独厚的植物生长条件，全年气温保持在20～28摄氏度，气候温暖，雨量充沛，年平均降水量2 500毫米。

植物是初级生产者，几乎所有的动物从根本上都依赖于植物所提供的能量，因此，植物每年通过光合作用固定的碳总量可以很好地衡量一个生态系统的总生产率。根据这种衡量标准，热带雨林可谓陆地上的纪录创造者，每平方米热带雨林每年可固定1 000～3 500克碳。从另一项针对生态系统生产率的衡量指标—动植物总质量（即生物量）来看，热带雨林也独占鳌头，每平方米的生物量达到4 500克。

珊瑚礁只能生长在同样的热带地区，被称为“海洋中的热带雨林”，其高生产率使这种赞誉名副其实。每平方米珊瑚礁每年可固定1 500～3 700克碳。考虑到珊瑚礁生长在热带浅海海域，在那里像氮和磷这样的重要营养元素含量非常低，这个数字已经是相当惊人了。在该生态系统中共同生长的珊瑚礁和其他动物，凭借对所需养分的高效循环，最终实现了生态系统的高生产力。

干旱的热带地区

如果从赤道出发，分别向南北半球的热带地区前进，气候会发生明显变化。这里尽管阳光依旧充足，气候依旧常年温暖，但雨量却没有那么充沛了，且一年之中干湿季分明，植物不得不适应这种气候变化。生长在印度北部和东南亚的季雨林就是典型的例子。在这里热带雨林特有的常青树被柚木、乌木这样的落叶树种所取代，它们通过每年落叶来减少水分流失。相比热带雨林中的树种，这些树要矮一些，但它们地域分布广泛，根系更为发达。作为叶猴和老虎的栖息地，在每年11月到次年4月，在季雨造成洪涝灾害之前，这里都会经历一个旱季。在澳大利亚北部等较干旱地区都会大量种植桉树这类树木来改善两个“大湿季”之间的旱情。

在最干旱的亚热带地区，树木被草地所取代—广袤无垠的草原地貌。这样的栖息地适合大型动物大规模栖息。这里全年温暖，但是动植物寿命的长短在很大程度上受到每年干湿季循环交替的影响。一年中的大部分时候，东非大草原都被炙烤成金黄色，但随着雨季的到来，这里又重新萌发绿意。一年一度的塞伦盖蒂牛羚大迁徙紧随草原的新生而至。热带草原的生产率只及热带雨林的一半，每平方米每年能固定200～2 000克碳，考虑到其生物总量只有热带雨林的1/10，这个数字仍然十分可观。热带草原也是地球上最高效的生态系统之一。

干涸的土地

当你到达南北回归线，你也就到了地球上最干旱的地方。这两处地方受高压控制，干热空气下沉，雨水极少，年平均降水量不足100毫米。到了真正的沙漠地区，其降水量甚至不足50毫米。这里并不缺少阳光，由于空气湿度低且少有云层遮盖，90%的太阳辐射都直接抵达地面。白天，气温经常能超过38摄氏度；夜间，由于热量迅速散发回大气，气温在短短几小时内就能降低44摄氏度甚至更多。尽管大部分沙漠都是常年高温，但是有一些高海拔沙漠，如蒙古戈壁，则异常寒冷，其冬季温度能低达零下21摄氏度。这些低温沙漠一般深处内陆，且位于山脉的阴面，来自海洋的潮湿空气很难抵达。生活在沙漠地区的动植物既要忍受极端的温度，又要面对淡水稀缺的困境。这里植被稀少，碳固定量相当少，每平方米每年仅能固定300克碳。

高纬度地区及无冰水域出口处的碳固定量和这里一样少。大片蓝色、荒芜的热带海域能接收到充足的阳光，但养分的缺乏又一次限制了绝大多数海洋食物链的基础—海藻等浮游植物的生长。热带海域是著名的无风带，因此深海中的养分很少能被搅动到海水表层上来。这里也不像大陆架的浅海地区，能时常得到河流带来的养分。

温和的气候

横亘在热带和极圈中间的区域，就是地球的温带。在这里，你能看到北欧的草地和阔叶林，还能看到北美洲的大草原和针叶林。这里的太阳辐射能量没有热带地区多，但夏季依然温暖潮湿，年降水量能达到500～1 500毫米。温带地区盛行季节性气候，这里的动植物需要适应四季分明的气候。冬季气候非常恶劣，尤其是北部温带地区的冬季，绝大多数淡水都被封冻成了冰雪。

在欧洲，橡树、山毛榉、白蜡树和栗树等阔叶树成为野猪、鹿和松鼠的遮蔽所，森林结构也比热带地区更简单，仅有两层树冠，阳光可以轻易地穿透树木，照到灌木、花草和青苔遍生的林地表层，令这些植物得以繁茂生长。如此多产的森林生态系统，平均每平方米能保有3 000克的生物量。

在北美洲，针叶林也很常见。其中最壮观的是太平洋海岸的巨杉林，温暖湿润的海岸气候在这里孕育出了地球上最高、最大的树木。

继续往北走，针叶林越来越常见。贯穿北美北部和欧亚大陆的针叶林带，被称为北方森林或泰加林。地球上每3株树木就有一株出于此，这里更是狼、猞猁、麋鹿和驯鹿等动物的栖息地。这里的冬天漫长而凛冽，一年中在长达9个月的时间里大部分可用水都被冻成冰雪。

春季冰雪终于开始融化时，由于永久冻土只有表层吸水，地面会迅速变成一片泽国。植物的腐烂速度很慢，酸性土壤会将植物生长所需的养分锁在土中。短暂的生长季和这样恶劣的环境使得阔叶树根本无法存活，而针叶树却长势良好。因为，针叶树锥状的树形和裹有蜡质的针状叶子能够助其安然度过这里寒冷而干燥的冬天。这里的年均降水量仅有400～600毫米，部分地区甚至低至150毫米。这样的降水量几乎接近有些半沙漠地区，但在寒冷的环境下，因蒸发而损失的水分要少很多。不过这片北方森林每平方米的碳固定量只有200～1 500克，只有南方温暖地区阔叶林碳固定量的一半。

大草原

在北美和欧亚大陆的广阔内陆上，你将体会到显著的大陆性气候。这里没有海洋的温和调节和水分的滋润，所以冬天寒冷，夏天炎热干燥。树木在这样干涸的环境中难以适应，只能让位于广阔的温带草原。

在北半球，北美大草原上活跃着大量叉角羚、草原土拨鼠和少量残存的北美野牛群，这种野牛的数量曾一度多达几百万头；在欧洲，俄罗斯大草原上不久前还有大量漫步的赛加羚羊。而南半球的南美潘帕斯草原和南非草原，和北半球的草原几乎如出一辙。同样的光照和雨水条件创造出环境相似的栖息地，它们就像镜像一样分布在赤道的南北两边。

温带草原和赤道附近的热带草原差不多，都以一种坚韧的幸存者—草—为主角。草凭借对气温变化及缺水环境的极强忍耐力，已成为地球上数量最多的一种植物。如今，草已经覆盖了地球陆地面积的1/4，其供给的大型动物数量比其他任何类型的栖息地都要多。

生猛而富饶的海洋

热带地区的陆地一片生机盎然，海洋中却恰恰相反。由于受洋流等局部因素的影响，海洋中的生物分布非常不均衡，但总体来说，温带海洋是最多产的。北上的赤道气流与南下的极地气流在这里相遇，造成了这里多变的天气。

北大西洋气流的锋面切入欧洲，给西海岸带来剧烈的风暴。尤其是大陆架上的浅海地区，这些风暴能够搅动深达200米的海水。每年春季，风暴将深海里的磷和氮搅动上来，使得浮游植物得以大量繁殖。这些养分到夏末即被消耗殆尽，但到了冬季，海水会被再次搅动，重新为海洋补充“给养”。

冰冻的两极

在北纬65度我们越过了森林线，进入了阴冷而贫瘠的苔原地界。这里的冬季漫长而黑暗，温度能低至零下30摄氏度。由于地处高压带，在冷空气的控制下，这里的降雨很少。冬季过低的气温使得树木无法生长，故这里的生产能力和南方的沙漠一样低，每平方米每年仅能固定100～400克碳。冬季只有少数几种动物能够留在这里过冬，如麝牛和北极狐；而到了短暂的夏季，很多动物，如雪雁和驯鹿，便从南方迁徙而来，趁机享受这里长时间的白昼和短暂的生长季。

南北纬66.5度以上分别是南北极圈，极圈内地区每年至少有一天极昼。越靠近极点，极昼的天数就越多，到了南北极点，太阳每年只升落一次。而更糟糕的是，冰雪将本就稀少的阳光中的85%都反射回去了。南极洲海拔高，和其他大陆不接壤，因而这里更加寒冷，年均气温在零下60摄氏度到零下55摄氏度，每年只有约50毫米的降雪。在这片被冰原覆盖的大陆上，仅有几处冰山顶部长有地衣。南极洲几乎是一片不毛之地，碳固定量接近于零。

季节变换

形成月球的那一次偶然碰撞使得地球开始倾斜旋转，由此给野生动植物带来的改变远超其他任何因素。在地球绕太阳公转时，不同的地区轮流朝向太阳。北极在12月离太阳最远，此时的北极将经历一个漫长而寒冷的冬季。地球年复一年沿着轨道持续运行，北极开始慢慢朝向太阳，每过一天，太阳便升得高一点，白昼的时间也长一些。到了3月的春分，太阳刚好直射赤道，所有地方昼夜等长。

太阳对于北半球的影响越来越强烈，到6月21日前后的夏至达到最大，这一天太阳直射北回归线，北半球的夏天达到最盛，北极圈以内有极昼现象。从这以后，北极便开始远离太阳，白昼时间变短。时节由夏入秋，到了9月23日前后的秋分，太阳再次直射赤道。此后，南半球开始渐渐偏向太阳，到12月22日前后的冬至这天，太阳直射南回归线，这标志着北半球的冬天和南半球的夏天达到最盛。

两极地区的冬夏交替突然而剧烈，比如南极海冰封冻后，整个南极洲的面积能在短短几个月内扩大一倍。这无疑是地球上最剧烈的季节变换。绝大部分野生动物都别无选择，不得不追随变化的太阳高度而北迁。

极圈和热带地区之间的温带地区是季节变换最明显的地方。这里四季分明却又不极端，生活着很多能适应四季变化的永久定居生物。温带海洋也要经历四季的更迭。在浅海，春季白昼日益变长，浮游植物得以大量繁殖，从而促进了整个海洋食物链的发展。即使在完全黑暗的深海底部，季节性循环依然存在。科学家们利用延时摄影技术，发现“海洋雪花”（上层海水沉淀下来的腐屑）的数量随季节循环变化。这种数量变化和阳光照射范围内海水的运动情况紧密相关。

热带地区附近昼长几乎常年不变，因此只形成了两个季节—湿季和干季，而这也是地球围绕太阳公转的结果。当太阳直射时，海洋蒸发出更多的水分，这些水分被热空气带入大气层，形成更多的云、风暴和雨水。6月，太阳直射北回归线，北半球热带地区进入雨季；到了12月，太阳直射南回归线，南半球便迎来雨季。只有在太阳升落时间终年不变的赤道上才不存在这种季节变换。

对于地球上的亿万动物来说，栖息地的季节变换意味着它们要不停地迁徙，以跟上温暖的太阳或多变的珍贵淡水补给。每年秋季，大量赤蛱蝶都要离开北欧，长途飞行将近3 200千米到北非避寒。每年夏季，300万头北美驯鹿都会跋涉3 000千米去寻找新鲜的牧草，这是陆地哺乳动物里最远的迁徙之路。欧洲雨燕则要一成不变地飞行18 000千米，去追随温暖的太阳和它们的昆虫猎物。它们先是飞越撒哈拉沙漠至西非，等食源变少后便转战东非，最后再飞回欧洲繁衍后代。在海洋中，大部分须鲸都要迁徙很长的路程，从热带温暖海域中的繁衍地一直游到高纬度的夏季觅食点。事实上，地球上所有动植物的生命完全有赖于一场偶然的宇宙事件—这场碰撞使我们的幸运星球倾斜了23.5度，并在随后的过程中改变了地球的整部生命史。