自然的奧秘，從氣候變化說起

◎ 文 | 陳進 編輯 | 田宗偉

北極格陵蘭斯科斯比灣 攝影 / VCG

氣候變化是一個熱門話題，因為它與地球環境變化、生態環境保護和人們的生活密切相關。根據科學觀測，自工業革命以來的一百多年內，地球氣溫一直朝變暖方向發展，氣候變暖已經是一個確定性的事實，目前氣候變化與氣候變暖基本屬于同義詞，相互可以替換。

說起氣候變暖的原因，科學家們已經研究很多年了，IPCC報告（政府間氣候變化委員會報告）已經出了五期，第六期報告馬上也要出來了，主要結論是：自工業化一百多年來，人類大量使用本來埋在地下的煤炭、石油和天然氣等化石燃料，還有人類活動引起的森林大火等，使地下化石和植物中的碳通過燃燒進入大氣，額外增加了大氣中的二氧化碳、二氧化硫等溫室氣體，使地球表面溫度增加。工業革命雖然給人類帶來了巨大福利，但同時也給地球環境帶來了巨大影響和不確定性。

美國微生物學家塔莎-斯特姆(Tasha Sturm)通過實驗收集他8歲兒子手部的細菌并拍攝的照片。手部細菌最多的細菌種群是葡萄球菌，它們通常是無害的，存在于30%人類的鼻孔之中。有大的細菌種群——芽孢桿菌，它是一種桿狀細菌。這些細菌如果在沒有洗手的情況下會通過鼻孔、口腔進入體內。 攝影/catersnews/IC photo

氣候變暖是好事、還是壞事，不同的人有不同的看法。多數人認為不利影響很明顯，主要體現在：南北極和青藏高原的冰川和凍土加速融化，海平面上升，這樣低海拔的沿海地區和島國面臨淹沒威脅，同等程度的風暴潮引起洪澇災害更加嚴重；極端氣候和水文事件出現的頻率增加，從而導致洪旱災害損失加大；一些物種，如北極熊等，無法適應快速變化的環境，其棲息地喪失或者食物缺乏使其生存困難。認為有利影響的主要有：氣候變暖，降雨量會增加，森林植被、熱帶生物和糧食生長會增加；北極及格陵蘭島冰川融化，可以開發利用北極資源和航道資源等。也有少數科學家不認為氣候變暖是人類活動造成的，他們的理由是：地球進化歷史上曾經歷過多次氣候變暖變冷過程，地球冷暖變化是周期性的，與地球在銀河系中的位置及太陽活動周期有關；地球上的生物經歷過多次滅絕、復蘇、再滅絕、再復蘇過程，人類活動無法改變地球環境周期性變化的趨勢，人類只能去適應這樣的變化，等等。

地球已經誕生幾十億年了，人類誕生不過數百萬年，不到地球生命歷程的百分之一，所以，人類對于地球環境變化、自然界及生物演變的認識仍然有限。就拿目前正在流行的新型冠狀病毒來說，它給全球絕大多數國家帶來了痛苦和死亡，造成巨大的經濟損失。要知道新冠病毒只是億萬微生物中的一種，目前成千上萬名科學家正在日以繼夜地科研攻關，也還沒有完全弄清楚其起源及傳播途徑，可見自然界未知的東西比已知的多得多，人類探索自然奧秘的道路是無止境的。

Regina留學印象

我是學水利工程建設出身的，近20年來一直從事水資源與生態環境方面研究，2006年長江水利委員會送我到加拿大薩斯喀徹溫省（Saskatchewan）Regina大學作訪問學者。這地方是加拿大最冷的地區之一，10月初去的時候已經下雪入冬，第二年4月底回國的時候，雪還沒有完全融化。加拿大雖然是世界第二大國家，但由于氣候原因，90%以上的人都居住在南部邊界線500公里范圍內，北邊地區由于處在北極及附近，基本沒有人居住。在加拿大半年時間多待在學校或者家中看書學習，倒也十分安靜。訪學期間，經常去圖書館借書和看書，發現生態環境方面的書很多，占幾間房，都很新，而水利工程方面的書很少，只有兩個書架，且絕大多數出版時間都是上世紀的。這也難怪，西方國家從上世紀80年代進入后工業化時代，就很少再進行大規模的水利工程建設，污染工業和低端制造業都轉移到發展中國家，自己主要發展高新技術、金融業等現代服務業，對生態環境保護也越來越重視，加上人口不多，所以全域生態環境質量很好，拿空氣質量來說，大多數地區PM2.5都在10以內，像溫哥華地區PM2.5常常在5左右，空氣質量達到潔凈水平，我們買了輛二手車開，半年沒有洗過，也不臟。薩斯喀徹溫省土壤肥沃，盛產小麥，品質優良，也得益于其良好的自然環境。

在Regina期間，我先后借了26本英文原著，下載了400多篇學術論文，多數是生態環境方面的，惡補了這方面的知識。印象最深的是那些英文原著不僅圖文并茂，印刷質量精良，而且內容十分豐富，參考文獻多，一個理論出現的前因后果說的非常清楚，對于短時間內掌握生態環境知識十分方便，其中有兩個知識點印象深刻，一是關于微生物，二是關于森林大火。

微生物的奧秘

在生態系統中，微生物是生物的基礎部分，也是生物食物鏈中的分解者，微生物包括細菌、病毒、真菌以及一些小型的原生動物等在內的一大類生物群體，它雖然個體微小，卻與人類生活密切相關。

微生物在自然界中可謂“無處不在，無處不有”，涵蓋了有益有害的眾多種類，具有體積小，面積大，吸收多，轉化快，生長旺，繁殖快，適應強，易變異，分布廣，種類多等特點。在顯微鏡等科學儀器發明前，曾經將一切生物分成截然不同的兩大界——動物界和植物界，當科學家深入到微觀生物界時，才開始對地球生命演進有了嶄新的認識。從進化的角度，微生物是一切生物的前輩，如果假設地球年齡為一年的話，微生物約在3月20日就誕生了，而人類約在12月31日下午7時許才出現在地球上，可見微生物是其他一切生物的“祖先”。

許多微生物對人類不僅無害，而且十分重要，如弗萊明從青霉菌抑制其它細菌的生長中發現了青霉素，這對醫藥界來講是一個劃時代的發現，后來又有大量的抗生素從放線菌等細菌的代謝產物中篩選出來。抗生素的使用在第二次世界大戰中挽救了無數人的生命，現在仍然廣泛為人類服務；一些微生物被廣泛應用于工業發酵，生產乙醇、食品及各種酶制劑等；一部分微生物能夠降解塑料、處理廢水廢氣等，并且可再生利用的潛力極大，被稱為環保微生物。微生物對人類也有不利的方面：一些病毒和細菌能夠使人、動物致病，甚至死亡，如目前流行的新冠病毒、流感等；一些微生物能夠使食品、布匹、皮革和木材等有機物質發霉和腐爛。

從人類確認的種類數量來看，已發現的微生物有很多，但實際上由于培養方式和檢測等技術手段的限制，自然界實際存在的很多微生物還沒有被人類認識或確認，現今發現的微生物只占自然界存在的微生物中的很少一部分，大多數微生物還沒有被分類和命名。所以，目前從事微生物研究的科學家很多，發表的論文影響因子都很高，如Cell（《細胞》）影響因子甚至比Nature（《自然》）和science（《科學》）還高。

微生物間的相互作用機制深奧又神秘，例如，健康人的腸道中即有大量細菌存在，稱正常菌群，其中包含的細菌種類高達上百種。在腸道環境中這些細菌相互依存，互惠共生。微生物在食物、有毒物質甚至藥物的分解與吸收過程中都發揮著重要作用。但人類對細菌之間的相互作用機制還不全明白，一旦菌群失調，就會引起腹瀉，使腸胃功能不正常。

微生物聚集最多的地方是土壤。通常在一克土壤里就有數億個微生物，即使在荒無人煙的沙漠，一克砂土中也有十萬多個微生物存在。它們一般都藏在土層表面以下10～20 厘米深處，土層越深、微生物數量就越少。最表層的土壤由于受陽光照射，水分又少，所以活的微生物數量也較少。土壤中微生物數量最多的是細菌，其次是放線菌和真菌等。

在一潭死水中，好氧微生物的生長繁殖使水中缺氧而形成厭氧環境，這使得厭氧的微生物大量增殖，它們在生活中會放出有惡臭的硫化氫、難聞的氨氣和甲烷等各種氣體，所以使水體又臟又臭。而經常流動的江、河里有足夠的溶解氧，使好氧微生物能很好生長，這些微生物可將水中的有機物一部分轉變成菌體，一部分轉變成水和二氧化碳，而微生物菌體又能被一些低等動物吃掉，從而起到了清除水中雜質的作用，使水得到凈化。人們常說“流水不腐”，實際上是豐富的溶解氧加上這些微生物相互作用的功勞。

微生物在生態系統中起到非常重要的作用，它擔負著分解死去動植物等有機物質，將它們還原為有機和無機營養物質，完成物質循環和能量轉化的作用。還有一些微生物能在極端環境中生存，例如，高溫、低溫、高鹽、高堿以及高輻射等普通生命體不能生存的環境，依然存在著一部分微生物。所以，微生物是生命的基礎，也是物質循環的重要推手。

總之，人類對微生物的種類、生物特性及與環境關系的了解還很膚淺，還有待人類進一步去探索。

森林大火

2018到2020發生了幾場讓世人非常關注的森林大火。第一場是2018年11月初，美國加利福尼亞州森林發生火災，這是數十年來加州最嚴重的山林大火，截至11月21日，大火過火面積達10萬公頃，造成82人死亡，數百人失蹤，受損的民宅及其他建筑至少10000棟，超過15萬人被緊急疏散，估計損失超過200億美元，是迄今為止加州歷史上最慘烈、最具破壞性、最致命、最昂貴的火災之一。

第二場是2019年8月巴西亞馬遜雨林大火。亞馬遜熱帶雨林本來比較潮濕，該地區一般每年火災高潮出現在9月份，并在11月結束，但2019年因為干旱，提前在8月發生。實際上，亞馬遜雨林每年都發生很多次火災，巴西等國人已經習慣于山火頻繁發生，只是2019年創紀錄地發生了73000多起大小火災，引起全球關注。要知道亞馬遜雨林占世界雨林面積的一半，森林面積的20%，是全球最大及物種最多的熱帶雨林，它產生的氧氣甚至占到全球氧氣總量的10%，它的變化具有全球環境效應。

第三場是澳大利亞森林大火，從2019年9月開始，截至2020年2月，大火燃燒了200多天，到2020年2月大火才被雨水撲滅。這場大火過火面積達到1000萬公頃，澳大利亞東南部幾乎所有森林風景區均遭受滅頂之災。據保守估計，至少有4.8億只動物在大火中喪生，2500間房屋坍塌成廢墟，27人火海喪生，其中包括3名消防員。一位澳大利亞學者計算得出，這場森林大火所釋放的能量級別遠遠大于一個百萬噸級的原子彈所釋放的能量。

亞馬孫熱帶雨林 攝影/ catersnews/ IC photo

森林大火在地質時期就有，森林、灌木和草原遇雷電、火山爆發和干燥天氣都可能發生，屬于自然現象，但自從人類學會用火以后，燒荒、燒秸稈、野炊、吸煙、電線火星、上墳燒紙和兒童玩火等，使森林大火發生幾率大幅增加。

森林火災是森林可燃物在熱源的作用下，與空氣中的氧氣快速結合而釋放出大量的熱量并失去人為控制的過程，這種過程會對森林的生態系統和環境產生巨大影響，主要體現在：破壞了森林的結構、功能和生態系統的環境，使大片的森林化為烏有；燒毀后的廢氣、灰燼和煙塵粒子，會給大氣、水資源、土壤及動物和人帶來不同程度的損害；使森林的林相結構、生物、氣象、水域和土地性能發生急劇的變化，降低了土壤涵養水源的作用，同時使得地面裸露，地溫升高，林區的風力加大，造成水土流失。

由此可以看出，大規模的森林火災對森林的危害十分嚴重，并給人民的生命財產和身體健康帶來巨大的損失，所以積極防御森林大火并及時撲滅森林大火是十分必要的。

非洲納米比亞 攝影/ VCG

人類誕生以前，地球也經常發生森林大火，所以，對于自然引起森林大火不僅應該認識其必然性，也要看到其有利的一面。從生態系統來看，火也是生態因子，是生態系統的一部分，森林中一些樹種的種子只有在大火燒烤后才會破殼發芽，長期沒有山火，它們可能會滅絕。如果你深入到原始樹林，會感到腳下軟綿綿的，每年凋落的樹葉和樹枝數量非常大，但微生物分解速度非常低，都積聚在表面，山火來了，像個清潔工，將這些積聚的有機質迅速分解，讓它們進入泥土，成為養分，滋養土壤，促進森林的更新，實際上農民田中燒秸稈也有這層意義。不定期出現的森林大火會改變森林生態系統的結構，消減優勢物種，維護森林生態系統多樣性；同時被燒毀的雜草和地被覆蓋物、腐生質能增加土壤的養分，促使土壤結構和成分發生變化，改善土壤的結構。在人類學會用火以前，地球大氣中氧氣含量穩定是靠地球植物（包括森林）吸收大氣中二氧化碳，釋放氧氣，當大氣中氧氣含量過高，也要靠火山爆發和森林大火釋放大量二氧化碳降低大氣中氧氣含量，維持大氣組成穩定。大氣中氧氣含量過高，火災風力越大（供氧能力越強），森林越容易燃燒，火災損失也越大。

同為自然災難，遭遇地震、洪水時，人們更強調適應性的管理，如預警、必要的撤離等，但提起森林火災，過分強調與它戰斗，不一定科學，首先要認識它發生的規律，在積極滅火的同時，更應該采取適應性管理措施。當然，我們要堅決預防人為引起的森林大火，它沒有生態功能，只有毀滅。

洪水防治

人們常說“自然的東西都是美好的”，這對于食物、自然風光、干凈的空氣和水是對的，但對于病毒、森林大火、嚴重洪旱災害、地震等就不對，雖然它們也是自然現象，但對于人類是有害的。對于有害的自然現象，不能指望靠“人定勝天”的鴻鵠之志試圖去消滅它們，而是要學會與它們科學相處。

人們也常說“存在的就是合理的”，如自然界一切生存下來的物種，無論其數量是多是少，無論其形態是美麗還是丑陋，無論其對人類是有利或者無利，在生態系統中都有一定的生態功能，理論上都是值得保護的。但蚊子、臭蟲、老鼠、釘螺（血吸蟲的寄生物）等，對人類有百害而無一利，盡管人們試圖用化學藥劑去殺死它們，但無法消滅它們，只能采取措施去減輕它們對我們的危害。

既然壞的自然現象無法回避，壞的物種也無法消滅，人類只能走“人與自然和諧相處”之路。這話說說容易，做好卻難。以防洪為例，雖然《老子》說“上善若水，水善利萬物而不爭”，但水也有無情、暴虐的一面。洪水的泛濫給人類帶來過深重的災難，人類的歷史就是一部與水互為依存、互相斗爭的歷史。千百年來人類不斷摸索，在自覺和不自覺中調整人與洪水的關系，由被動承受到主動適應。

概括起來，人類防治洪水可分為四個階段：一是被動地適應洪水階段。在這個時期，人口稀少，社會生產力水平低下，人類改造自然的能力很低，因而普遍采用了適應自然的策略。如北京周口店龍骨山的“北京猿人”，在洪水侵入居住洞口時，采用了暫時離開山洞、搬到更高的地勢上居住的辦法，稱為避水術。《淮南子·齊俗》中“擇丘陵而處之”，也是考慮到洪水到來時易于躲避。二是逐漸采取措施控制與防御洪水階段。隨著社會發展和生產力提高，人口不斷增加，定居點逐步擴大，對土地的需求也日益增加，人類為保護自己的田地和家園，開始向洪水通道和調蓄洪水的湖泊進軍，沿河、沿湖修建起阻擋洪水泛濫的連續的堤防，進入了與洪水對抗的階段。三是試圖完全控制洪水階段。隨著與洪水的斗爭不斷加劇，防御與控制洪水取得了初步勝利，人類的主觀思想也不斷膨脹，夢想與洪水斗爭并戰而勝之，徹底根治洪水災害。于是，在相當長一個時期內，人類無視自然規律，開始無節制地修建眾多的工程措施，包括堤防、水庫和河道整治工程，試圖控制洪水。四是逐漸與洪水和諧共處階段。這一階段也稱為人類有意識地主動適應洪水階段，西方是從20世紀90年代，我國是從“98年大洪水”以后開始的。面對全球不斷發生的洪澇災害，人們發現盡管不斷地增加對防洪減災的投入，不斷地加高加固堤防，但根治洪水災害的夢想仍無法實現。非但如此，隨著人類經濟社會的不斷發展，洪水災害所造成的經濟損失仍與日俱增，從而陷入經濟發展與洪水災害相互競爭的惡性循環。人們逐漸意識到，人與水的關系不是對立的，而是一種動態的均衡博弈。所以，傳統洪水的治理時代已經轉變到洪水的風險管理時代，也就是在傳統工程防洪基礎上，更加重視防洪非工程措施，最主要的內容就是規范人類在防洪保護區土地利用行為，不要在高風險地區開發利用，其次是加強預報預警，一般洪水調控，特大洪水分洪蓄洪，撤離高風險地區，再其次是建立洪水保險制度，遇到洪災及時補償損失，盡快恢復發展。

總之，自然界充滿奧秘，人們需要不斷地探索，遵循自然規律，不應該、也不可能主宰自然、征服自然，而要應該學會尊重自然、保護自然，尋求與自然和諧共處的發展之道。