编者按

正地球生物学(geobiology)研究地圈-生物圈耦合系统,即生物圈与地球其他圈层如大气圈、水圈和岩石圈的相互作用机制及其过程.地球生物学、地球化学和地球物理学分别构成了研究地球系统的生物过程、化学过程和物理过程的学科体系.地球生物学的核心是生命与地球环境的相互作用与协同演化.我们过去讲地球与生命的关系,主要强调的是地球环境影响生命,生命适应地球环境,这是一个单向作用的关系.但地球与生命之间应为相互作用的关系,而且是协同演化的.生命演化能否影响地球环境演变,生物过程能否影响地球环     

对地球生物学、生物地质学和地球生物相的一些探讨

在简要介绍国内近年来地球生物学研究概况之后,探讨了地球生物学和生物地质学的定义以及这两者之间的区别．地球生物学是由生命科学和地球科学交叉融合而形成的一级学科,而生物地质学则是由生物学和地质学交叉而形成的二级学科,因此,地球生物学所研究的领域包含了生物地质学的研究范围．列举了这两门学科的分支学科．地球生物相是指包含了生物与环境相互作用的全过程的一个地质体的相．讨论了地球生物相、生物相和有机相之间的区别．生境型、生物组成和生产力、古氧相以及埋藏效率是确定一个地球生物相的主要参数．对上述参数作了详细探讨,并据此提出了地球生物相的半定量评估方案．推荐地球生物相的二维命名法,每一维分别代表地球生物学全过程中的生物方面和环境方面的特征．     

地球生物学前沿:进展与问题

地球生物学是地球科学与生命科学的交叉学科,其核心任务是探讨生物与环境的相互作用和协同演化.在分析国际地球生物学的研究进展、中国科学院学部地球生物学前沿论坛成果以及本专辑代表性论文的基础上,本文简要评述了重大地质突变期的地球生物学、地质微生物与全球环境变化以及极端环境地球生物学这三大主题的主要研究进展和存在的科学问题.在重大地质突变期的地球生物学方面,人们已经认识到生命的起源、辐射、灭绝和复苏等重大生命事件的发生与地球深部过程以及受其影响的海-陆-气环境过程密切相关;但对于地质历史时期生物与环境是如何协同演化的,其具体的机制和动力学过程是什么,还知之甚少.在地质微生物与全球环境变化方面,各类地质微生物功能群不仅灵敏地响应地质环境的变化,而且通过元素循环和矿物转变对地质环境产生重要影响;但人们对不同地质微生物功能群是如何通过协同作用而改变地质环境的,还了解得很少.在极端环境地球生物学方面,人们从深海、冰川冻土、地下水、洞穴和热泉等极端环境中发现和分离出一些重要的微生物,并开展了许多生物学的研究;但真正能上升到极端环境地球生物学的研究很少,极端环境微生物的地球化学功能还远未查明.地球生物学将大大拓展生物过程研究的时空范畴,在资源领域和全球变化领域有广阔的应用前景.地球生物学需要多学科的协同研究,包括加强地质微生物的研究,加强生物地球化学循环的数据库建设和定量化模型研究,加强各类典型地质环境条件的研究,加强生物过程与物理化学过程的耦合研究.     

土壤-微生物-植物系统中矿物风化与元素循环

土壤是地球关键带的重要组成部分,土壤-植物系统是连接岩石圈、生物圈、大气圈和水圈的纽带.土壤作为地球上生物多样性最丰富的生境之一,在地球表层生物地球化学过程中担负重要的作用.本文主要从地球生物学的角度来探讨土壤生物在地球表层(风化壳)岩石矿物风化、物质转化与运输中的作用及其相关机制,包括土壤微生物对岩石矿物的风化,以及土壤-根系的相互作用和土壤-微生物-根系相互作用对岩石矿物风化的影响.     

生物圈·生命圈

地球环境的演变决定了生命的起源与演化过程,而生命过程又影响看地球表层环境以及大气圈、水圈及岩石圈的物质循环生物多样性是地球演化的独特产物,对地球生命维持系统起着极为重要的作用,是人类赖以生存和发展的基础。因此,研究地球与生命的互动,研究生物多样性的起源和发展对人类可持续发展具有重要意义。     

构造微生物学:地球生物学研究的新理念

地球微生物学是地球生物学的核心分支,主要研究微生物与环境之间的相互作用.其中,一个非常重要的科学问题是在现代板块运动的理论框架下,微生物在驱动生物地球化学循环过程中如何与地球构造活动紧密相关.构造微生物学概念的提出就是要聚焦微生物活动与构造活动过程的协同研究.这样的视角能进一步加强固体地球科学家与微生物科学家之间的交流,使得双方可以更加有效地探索和理解构造和微观尺度上的地球系统的演化与发展.     

氧循环与宜居地球

氧是影响地球宜居性的重要因素,其与复杂生命体的形成和演化有着千丝万缕的联系.研究全球氧循环有助于我们了解地球系统的演化过程,剖析地质历史时期地球宜居性的形成,从而帮助我们预估地球系统的未来变化.近几十年来,氧循环的研究在地质学、地球化学、地球生物学、海洋科学和大气科学等领域取得了重大进展,这丰富了我们对地球系统的认识.然而,这一系列的研究工作都是在各自领域独自开展的,由此导致我们对氧循环这一关键科学问题的理解较为片面,对地球科学各个圈层之间的相互作用缺乏完整的认识.本文提出了地球系统五大圈层相互耦合的理论框架,阐明了氧循环在地球系统科学中起到的纽带作用,全面总结了多时间尺度上氧循环的研究,特别关注了大氧化事件、大灭绝事件以及大气氧含量和物种进化之间的潜在联系.深入理解地质历史时期氧循环与生物多样性之间可能的联系,对探索地球宜居性的历史演化和未来具有深远的意义.自从进入人类世以来,地球系统在人类活动的强迫下已逐渐偏离其既定轨迹,氧循环也因此产生了强烈的响应.我们认为如果不及早干预,人类活动对氧循环的干扰可能会大大降低地球的宜居性.     

地学书签

古生物学是生命科学和地球科学的交叉科学．既是生命科学中唯一具有历史科学性质的时间尺度的一个独特分支,研究生命起源、发展历史、生物宏观进化模型、节奏与作用机制等历史生物学的重要基础和组成部分。     

地球系统科学综述

首先从人类面临全球性的重大问题、地球系统的全球化和地球系统科学的关系与传统地球科学三个方面介绍了地球系统科学提出的背景,阐述了地球系统科学国内外研究现状．然后,详细介绍了地球系统科学的概念与研究方法,主要包括研究思路、基本概念、地球系统过程、全球——区域信息获取、海量信息处理和分析及地球系统模型等．第三,构建了地球系统科学理论基础．主要包括：地球系统的连续动态系统、离散动态系统、地球系统的随机性、地球系统的自组织和地球系统的简单巨系统与复杂巨系统,重点介绍了地球系统科学子系统与各圈层相互作用的动力学模型与效应．第四,概述了地球系统的数字表达一数字地球和地球系统科学是可持续发展战略科学基础．最后,简述了中国开展地球系统科学研究的方向和面临的主要科学问题。     

人类圈与地球系统

作为最新地球圈层的人类圈和地球系统是现代地球科学中两个重要的基本概念。正确而深刻地认识这两个概念对全球环境变化和持续发展等问题的研究具有重要的意义。目前对它们及其相互关系尚缺乏统一的认识。本文主要讨论：（１）对地球系统的三种理解；（２）人类圈与人类活动、生物圈和智慧圈等的基本区别；（３）人类圈与地球系统的关系，并主张人类圈是现代地球系统中五个地球圈层之一。     

地磁倒转与生物灭绝因果关系研究五十年

地磁场源于地球内部的地核发电机,经由近3000 km厚的地幔和地壳到达地面,穿过生物圈、大气层和电离层后延展至太空形成磁层.地磁场对生物圈有双重保护作用:阻挡了高能粒子向内入侵,也避免了氧和水等挥发性物质向外逃逸.尽管地磁场在几十亿年的时间里帮助维持了地球的宜居性,人们仍认为地磁倒转所导致的保护作用削弱会给生物圈带来深刻的负面影响,甚至是生物灭绝.本文梳理地磁倒转与生物灭绝因果关系研究的五十年发展历程,结合历史背景评介早期"一对一"假说的得与失,并着重阐述空间环境变化在最新提出的"多对一"假说中的重要作用.这些研究成果已经清晰地说明,从地核到磁层的地球各圈层是一个耦合的复杂系统,地球演化中的重大事件应当从地球系统科学的角度来看待,并借助比较行星学来研究和理解.     

2001年地球物理学的一些进展

简要回顾了2001年地球物理学的一些进展。指出在用地球系统科学研究整个地球的结构、演化和动力学过程中，地球物理学作为地球科学中主要提供地球内部信息和资料的学科，将成为地球系统科学研究的一个重要内容。讨论了现在的地球和空间科学研究以及环境监到等地球物理技术在反恐怖活动以及在国家军事方面的重要意义及应用。在21世纪能源危机日益严重的情况下，中国急需进行油气资源的二次创业，而天然气水合物研究是能源研究的一个新方向。     

历经亿万年而不倒的演化强者

自地球生命诞生之日起,生物演化经历了差不多四十亿年的漫长过程。演化的浪潮一波又一波,大浪淘沙般地淘汰了一批又一批不适应环境变化的弱者,也涌现了一批顽强逆袭,冲出重围的强者。它们是生命长河中真正的勇士,经历了无数次危难之中的考验;它们是历史的见证者,目睹了生命的辉煌与沉沦。这些历久弥新,持之以恒,香火延续至今的生命无疑值得当今的人类好好研究,在赞叹它们的顽强和忍耐的同时,更要加深了解这些生物能够克服千难万险,演化至今的生存策略和方法,更要深刻地理解生物与地球的关系,以便于人类更好地走上可持续发展的道路。     

印尼地震海啸及其相关的地球物理现象

地震海啸的产生是地球表面固体层和流体层相互作用的结果.本文介绍了这种相互作用的物理过程,讨论了海啸的大小、能量、传播速度,展示了与印尼地震相关的地球物理现象,指出：建立早期预警系统是减少海啸灾害的重要措施,目前的预警系统虚报率很高的问题,仍需要通过加强地球表层系统相互作用的研究来解决,这是地球科学家面临的重要科学课题.     

生物地球物理:地球物理方法在研究生物地球化学过程中的应用和发展

微生物广泛参与了其所处地质环境的物理和化学性质改造过程.监控微生物与地质介质之间相互作用的过程并了解其机制对近地面环境工程中土壤及地下水污染整治等实际应用有着至关重要的作用.地球物理勘测成像技术不仅能够在传统应用中测量和表征地表以下的物理特性变化,大量直接有效的证据表明这些方法还可以捕获孔隙介质中的生物地球化学变化的动态过程,包括监测微生物、微生物活动以及它们与矿物之间的相互作用.生物地球物理(Biogeophysics)作为勘探地球物理的一个新兴分支学科,包含了微生物学、生物地球科学以及地球物理勘测等多个学科,侧重于研究微生物与地质介质相互作用对地球物理场的影响.过去十几年在生物地球物理领域的研究充分表明和验证了地球物理勘测方法的独特优点(最小化侵入、时空连续及跨尺度运用),并为将传统勘测方法用于探索跨时间空间各尺度的地下生物地球化学动态过程提供了理论及实验依据.本篇综述将系统介绍生物地球物理学科的理论背景、发展和研究前沿.首先讨论微生物及其活动引起的孔隙介质中物理化学性质的变化.其次,将侧重于探讨微生物活动对包括地电法、电磁法、探地雷达以及地震法等不同地球物理场的响应.最后将讨论生物地球物理领域的机遇、挑战和潜在应用.     

湖泊流域生态系统演化对人类世研究的重要意义

人类世可能成为一个全新的地质时期,以描述人类活动对地球环境造成极为深远的影响,目前已被广泛讨论。湖泊及流域生态系统作为与人类社会最密切的地球单元之一,受到人类活动显著影响,相关研究成果能为理解人类世做出贡献。本文从湖泊流域生态系统和人类世本身特征为切入点,讨论了湖泊及流域生态系统演化对人类世研究的重要意义。我们认为,湖泊具有相对独立的整体,清晰的内部作用关系、完备的理论支持和时空数据支撑,能够为人类世地球各圈层交互作用提供研究框架。湖泊流域生态系统演化的稳态转换与地球环境进入新的地质时期具有诸多相似之处,相关研究成果能够更好地界定人类世开始时间、总体特征以及演变过程和机制。本文指出人类世湖泊及流域生态系统演化研究依然面临诸多挑战,并提出了对未来相关研究的展望。     

地气角动量交换与ENSO循环

用1976～1989年的地球自转速度、赤道东太平洋海温和气压及大气角动量资料,研究了地气之间角动量交换与ENSO循环的关系结果表明:固体地球自转速度、赤道东太平洋海温、不同纬带及全球大气角动量之间存在着协同的变化关系;低纬局地海气相互作用通过Hadley环流可形成类似ENSO事件的循环;固体地球和全球海气相互作用通过山脉力矩和地转变速摩擦力矩形成了固体地球-海洋-大气系统中各个方面出现的非周期行为和非同步振荡;实际出现的ENSO循环是固海气相互作用反映在太平洋洋盆上的一种现象.     

蛇纹石化作用、非生物成因有机化合物与深部生命

非生物(无机)过程形成的烷烃和其他有机化合物,涉及能源资源和生命起源与演化两大科学主题."地球原始非生物成因烷烃理论"和"蛇纹石化非生物成因烷烃理论"是该研究领域的两大主流理论.超基性岩蛇纹石化作用通常发生在缓慢扩张洋中脊系统、大陆蛇绿岩系统等构造环境.超基性岩蛇纹石化生成非生物成因烷烃与其他有机化合物,为化能自养微生物群落提供了所需要的能量和初始物质,是生命起源最重要的变质水化反应.生物过程和非生物过程的叠加,给鉴别蛇纹岩寄主生态系统的非生物成因有机质带来严峻挑战.非生物(无机)过程能否形成石油和天然气资源,这是科学界一个多世纪以来不断探索而未能解决的科学难题.虽争论不休,但已取得了重要进展.中国松辽盆地非生物成因商业天然气藏的发现和勘探开发,为研究和寻找非生物成因天然气资源提供了一个典型实例.     

二叠纪-三叠纪之交重大地质突变期微生物对环境的作用

生物与环境之间是相互作用和协同演化的.目前在生物对环境变化的响应方面已取得了许多重要的认识,而在生物对环境作用方面的认识还非常薄弱.本文以二叠纪-三叠纪之交这一生物与环境的重大突变期为例,探讨了微生物对环境的作用并指出了下一步的重点突破方向.类脂物生物标志化合物、C-N-S稳定同位素地球化学和矿物学的研究表明,硫酸盐还原微生物功能群、H2S的厌氧氧化微生物功能群、产甲烷微生物功能群、甲烷的好氧氧化微生物功能群、反硝化微生物功能群和固氮微生物功能群在二叠纪-三叠纪之交显著繁盛.不同微生物功能群既可以加剧环境的恶化,也可以改善环境,正是这些多方面的微生物作用才使得地球环境不至于向一个方向演变,而是处于一个能够自我调节的状态.     

“五大营养”与地质公园

人类的诞生是在地球这样一个特定环境中．是地球演化到一定阶段（特定的时间）的必然产物。环境是人类赖以生存的必需条件。人类不能脱离环境而生存．在漫长和曲折的进化过程中．人类不仅为生存而适应环境．还要开发利用和改造环境。