中国学科发展战略:地球生物学
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作者中国科学院
出版社科学出版社有限责任公司
ISBN9787030449313
出版时间2014-05
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开本其他
定价158元
货号8511407
上书时间2024-02-20
商品详情
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目录
目录
总序i
前言vii
第一章地球生物学概述1
第一节地球生物学的定义、学科地位与发展现状1
一、地球生物学的定义1
二、地球生物学的研究对象3
三、地球生物学的学科地位4
四、地球生物学的特点4
五、国际地球生物学的发展现状5
六、中国地球生物学的发展现状11
第二节地球生物学的主要研究进展、重大科学问题和研究内容15
一、地球生物学的主要研究进展15
二、地球生物学要解决的重大科学问题23
三、地球生物学的主要研究内容、发展重点和应用前景25
参考文献29
第二章早期生命起源、演化及其环境背景38
第一节宜居行星的形成与地球生命起源38
一、早期地球环境与生命起源39
二、氢、氮、磷和金属蛋白等生源要素的形成环境44
三、最早的生命记录与早期生物圈46
第二节前寒武纪主要的微生物功能群及其演化51
一、厌氧微生物与化能自养微生物群52
二、光合自养微生物的出现及其对大气海洋系统的影响54
三、真核生物的起源与早期演化57
第三节大气成氧、海洋化学演化与微生物相互作用60
一、大气成氧事件与大气圈演化阶段60
二、海洋氧化与海水化学条件演变67
三、大气海洋系统演化与微生物相互作用73
第四节未来突破方向80
一、大气成氧机制及其对地球环境的影响过程80
二、海洋化学转换对元素化学循环的影响机制81
三、地球早期环境演变对生命演化的控制机制81
参考文献一82
第三章新元古代以来生态系统的演变和环境背景102
第一节新元古代地球环境与后生动物起源、辐射103
一、新元古代环境背景103
二、埃迪卡拉纪动物起源与寒武纪生物大爆发104
三、埃迪卡拉纪与寒武纪生物演化与环境的关系109
第二节古生代三叠纪海洋生态系统演变与环境背景112
一、古生代三叠纪构造演化与环境背景113
二、海洋生态系统演变与生物辐射事件115
笫三节古生代三叠纪海洋生物灭绝事件122
一、奥陶纪末期生物灭绝事件125
二、泥盆纪生物灭绝事件127
三、石炭纪中期生物灭绝事件128
四、二叠纪三叠纪之交生物集群灭绝事件130
五、三叠纪末期生物灭绝事件131
第四节未来突破方向132
一、高精度年代地层框架132
二、生物多样性的定量统计132
三、地质事件过程的异同对比和模式分析133
四、生物灭绝的环境机制133
参考文献136第四章地质微生物功能群及其生物地球化学过程对环境变化
的响应与反馈149
第一节重大地质突变期的生物地球化学异常及其对环境的响应149
一、碳循环异常149
二、硫循环异常156
三、氮循环异常163
四、碳氮硫循环异常记录的生物与大气、海洋环境之间的
相互作用168
第二节地质微生物对地质环境的分子响应169
一、重建古温度的微生物指标170
二、指示古水文事件的微生物指标175
三、重建古大气C02分压的微生物同位素组成177
第三节地质微生物功能群通过生物地球化学过程对地质环境的
作用177
一、与甲烷循环有关的地质微生物功能群的地质作用178
二、与硫代谢相关的微生物功能群及其地质作用180
三、与氮代谢相关的微生物功能群的地质作用183
四、参与铁氧化还原的微生物功能群的地质作用190
第四节未来突破方向194
一、重大地质突变期的生物地球化学循环194
二、地质微生物通过生物地球化学过程对地质环境的响应195
三、地质微生物通过生物地球化学过程对地质环境的作用196
参考文献198
第五章微生物地质作用229
第一节微生物与矿物的相互作用229
一、矿物与生物的协同演化230
二、微生物与矿物相互作用的模式232
三、半导体矿物与非光合微生物的相互作用232
四、白云石的微生物成因233
五、微生物与黏土矿物的相互作用234
六、矿物治理环境237第二节微生物的沉积成岩作用238
一、磷块岩239
二、微生物碳酸盐岩241
第三节未来突破方向244
一、矿物微生物的地质历史意义245
二、在治理污染环境中的应用246
三、微生物通过矿物如何调控全球气候246
参考文献247
第六章极端环境微生物与深部生物圈254
第一节微生物对极端物理环境因子的响应254
一、微生物对高温的响应254
二、微生物对高压的响应259
三、微生物对辐射的响应262
第二节微生物对极端化学环境因子的响应265
一、缺氧环境265
二、高盐环境265
三、高酸环境271
四、碱性环境273
第三节生命的边际274
一、能量代谢是生命与环境协同演化的桥梁275
二、生命演化的分子基础来源于对温度的适应性276
参考文献278
第七章太空环境对地球生命的影响及地外生命探测293
第一节太空环境对地球环境和生命的影响293
一、宇宙射线对地球环境及生命的影响293
二、大阳活动对地球环境及生命的影响298
三、小天体撞击对地球环境及生命的影响304
第二节地外生命探测技术306
一、轨道器探测306
二、原位探测技术309
三、地外样品研究314
四、地外智能生命探测技术315
五、地外生命的相似性研究技术316
第三节识别生命在地球以外环境存在的可能性和特征319
一、前生命物质的形成与演化319
二、宇宙宜居住环境的特征分布与探测322
三、火星的可能生命标志信息323
四、木卫二的可能生命标志信息331
五、土卫六的可能生命标志信息333
六、土卫二的可能生命标志信息334
参考文献335
第八章中国地球生物学发展的建议与措施350
一、尽快建立深时环境变化与生物演化中国研究计划350
二、加强中国地圈生物圈观测网的地球生物学特色356
三、加强地球生物学的学科建设和创新人才的培养358
四、创建有中国特色的地球生物学359
参考文献360
关键词索引362
彩图369
目录
总序i
前言vii
第一章地球生物学概述1
第一节地球生物学的定义、学科地位与发展现状1
一、地球生物学的定义1
二、地球生物学的研究对象3
三、地球生物学的学科地位4
四、地球生物学的特点4
五、国际地球生物学的发展现状5
六、中国地球生物学的发展现状11
第二节地球生物学的主要研究进展、重大科学问题和研究内容15
一、地球生物学的主要研究进展15
二、地球生物学要解决的重大科学问题23
三、地球生物学的主要研究内容、发展重点和应用前景25
参考文献29
第二章早期生命起源、演化及其环境背景38
第一节宜居行星的形成与地球生命起源38
一、早期地球环境与生命起源39
二、氢、氮、磷和金属蛋白等生源要素的形成环境44
三、最早的生命记录与早期生物圈46
第二节前寒武纪主要的微生物功能群及其演化51
一、厌氧微生物与化能自养微生物群52
二、光合自养微生物的出现及其对大气海洋系统的影响54
三、真核生物的起源与早期演化57
第三节大气成氧、海洋化学演化与微生物相互作用60
一、大气成氧事件与大气圈演化阶段60
二、海洋氧化与海水化学条件演变67
三、大气海洋系统演化与微生物相互作用73
第四节未来突破方向80
一、大气成氧机制及其对地球环境的影响过程80
二、海洋化学转换对元素化学循环的影响机制81
三、地球早期环境演变对生命演化的控制机制81
参考文献一82
第三章新元古代以来生态系统的演变和环境背景102
第一节新元古代地球环境与后生动物起源、辐射103
一、新元古代环境背景103
二、埃迪卡拉纪动物起源与寒武纪生物大爆发104
三、埃迪卡拉纪与寒武纪生物演化与环境的关系109
第二节古生代三叠纪海洋生态系统演变与环境背景112
一、古生代三叠纪构造演化与环境背景113
二、海洋生态系统演变与生物辐射事件115
笫三节古生代三叠纪海洋生物灭绝事件122
一、奥陶纪末期生物灭绝事件125
二、泥盆纪生物灭绝事件127
三、石炭纪中期生物灭绝事件128
四、二叠纪三叠纪之交生物集群灭绝事件130
五、三叠纪末期生物灭绝事件131
第四节未来突破方向132
一、高精度年代地层框架132
二、生物多样性的定量统计132
三、地质事件过程的异同对比和模式分析133
四、生物灭绝的环境机制133
参考文献136第四章地质微生物功能群及其生物地球化学过程对环境变化
的响应与反馈149
第一节重大地质突变期的生物地球化学异常及其对环境的响应149
一、碳循环异常149
二、硫循环异常156
三、氮循环异常163
四、碳氮硫循环异常记录的生物与大气、海洋环境之间的
相互作用168
第二节地质微生物对地质环境的分子响应169
一、重建古温度的微生物指标170
二、指示古水文事件的微生物指标175
三、重建古大气C02分压的微生物同位素组成177
第三节地质微生物功能群通过生物地球化学过程对地质环境的
作用177
一、与甲烷循环有关的地质微生物功能群的地质作用178
二、与硫代谢相关的微生物功能群及其地质作用180
三、与氮代谢相关的微生物功能群的地质作用183
四、参与铁氧化还原的微生物功能群的地质作用190
第四节未来突破方向194
一、重大地质突变期的生物地球化学循环194
二、地质微生物通过生物地球化学过程对地质环境的响应195
三、地质微生物通过生物地球化学过程对地质环境的作用196
参考文献198
第五章微生物地质作用229
第一节微生物与矿物的相互作用229
一、矿物与生物的协同演化230
二、微生物与矿物相互作用的模式232
三、半导体矿物与非光合微生物的相互作用232
四、白云石的微生物成因233
五、微生物与黏土矿物的相互作用234
六、矿物治理环境237第二节微生物的沉积成岩作用238
一、磷块岩239
二、微生物碳酸盐岩241
第三节未来突破方向244
一、矿物微生物的地质历史意义245
二、在治理污染环境中的应用246
三、微生物通过矿物如何调控全球气候246
参考文献247
第六章极端环境微生物与深部生物圈254
第一节微生物对极端物理环境因子的响应254
一、微生物对高温的响应254
二、微生物对高压的响应259
三、微生物对辐射的响应262
第二节微生物对极端化学环境因子的响应265
一、缺氧环境265
二、高盐环境265
三、高酸环境271
四、碱性环境273
第三节生命的边际274
一、能量代谢是生命与环境协同演化的桥梁275
二、生命演化的分子基础来源于对温度的适应性276
参考文献278
第七章太空环境对地球生命的影响及地外生命探测293
第一节太空环境对地球环境和生命的影响293
一、宇宙射线对地球环境及生命的影响293
二、大阳活动对地球环境及生命的影响298
三、小天体撞击对地球环境及生命的影响304
第二节地外生命探测技术306
一、轨道器探测306
二、原位探测技术309
三、地外样品研究314
四、地外智能生命探测技术315
五、地外生命的相似性研究技术316
第三节识别生命在地球以外环境存在的可能性和特征319
一、前生命物质的形成与演化319
二、宇宙宜居住环境的特征分布与探测322
三、火星的可能生命标志信息323
四、木卫二的可能生命标志信息331
五、土卫六的可能生命标志信息333
六、土卫二的可能生命标志信息334
参考文献335
第八章中国地球生物学发展的建议与措施350
一、尽快建立深时环境变化与生物演化中国研究计划350
二、加强中国地圈生物圈观测网的地球生物学特色356
三、加强地球生物学的学科建设和创新人才的培养358
四、创建有中国特色的地球生物学359
参考文献360
关键词索引362
彩图369
内容摘要
第一章地球生物学概述
第一节地球生物学的定义、学科地位与发展现状
一、地球生物学的定义
在国际上，有关地球生物学的定义多种多样，但基本类似。Geobiology期刊网站把地球生物学表述为“探索生命与地球的物理与化学环境的学科领域”。它涉及的领域包括生命的起源与演化，大气圈、水圈和生物圈的演化，关键时期的沉积记录与地球生物学，古生物学与演化生态学，环境微生物学，生物地球化学与元素循环，微生物与矿物的相互作用，生物标志化合物，分子生态学与系统发生学。Topics in Geobiology丛书把地球生物学当作涉及地球生命历史的宽泛学科，它的一个核心是生命历史与变化的环境之间的相互关系。Knoll等（2012）在《地球生物学基础》一书中提出：“地球生物学是将生物学的原理和技术方法应用于研究地球的学科，是研究生命如何作用于物理环境，以及在地球历史中生物过程如何与物理过程相互作用。”他们认为，地球生物学的学科地位相当于地球化学和地球物理学。在《地球生物学百科全书》中，Reitner和Thiel（2011）把地球生物学表述为“研究现在和过去的生命与非生命物质之间相互关系的高度交叉的学科”；地球生物学“探索生物圈与地圈之间的界面，识别现代环境和地质记录中有关生物与环境之间相互作用的原因和结果，从而从生物学角度来分析不同时空尺度地球环境的演化”。Noffke（2010）认为，地球生物学是为了缩小地质学与生物学的隔阂，“从不同时空尺度上探索生物过程与地质过程的耦合关系，以形成地球系统的模型”。她认为地球生物学主要涉及3个领域，一是理解全球尺度的环境问题，并预测未来不可预见的损失。二是重建地球行星的历史，分析生命与环境协同演化中生物与环境相互作用的原因和结果。三是通过研究地球上的类似环境来探索地外生命。在2011年和2013年美国的戈登地球生物学会议上，强调了地球生物学是“把地球作为一个系统，研究生命与环境相互作用的过去、现在和未来”。
综合分析目前有关地球生物学的概念，作者认为，地球生物学是研究生物与环境在不同时空尺度上的相互作用与协同演化的交叉学科，或者说地球生物学是研究生物圈与地圈相互作用和协同演化的交叉学科。
地球生物学的核心之一是生命与地球环境的相互作用（interaction）。生物与环境相互作用包括两个最基本的过程，一是生命过程对地球环境的响应或者说环境对生命的影响，二是生命过程对地球环境的作用和改造。在前一过程中，固体地球内部的许多动力学过程通过地磁场改变、地热和物质循环等对地球的气候和环境发生作用，并由此进一步对生命系统发生作用。例如，与地幔柱动力学过程密切相关的大规模、快速火山喷发导致大气圈和海洋环境变化，从而影响生物圈的演化（Konhauser et al ，2009）。因此，生命的起源、辐射和灭绝等重大生命事件的发生，与地球深部过程及受其影响的海陆气环境过程密切相关。
过去强调了地球环境影响生命，生命适应地球环境，这是一个单向作用的关系。需要强调的是，生物圈反过来也以多种方式改变着地球表层环境的物理和化学过程，对地球系统动力学过程起着重要的调节和缓冲等反馈作用。从能量流来说，作为地球外发动机的太阳能，大部分是靠生物吸收、转换和储存的。从物质流来说，当今地球表层系统，未经生物改造的物质极少，如果没有生物圈的调控，地球就会回到月球或火星的状态。然而，长期以来，人们对生命作用于环境的认识比较薄弱、研究滞后，这已经严重地影响了人们对重大地质环境突变的认识，并进一步阻碍了人们对地球行星的整体和系统认识。地球生物学的一些先驱者特别强调生物对环境的作用。例如，俄罗斯科学家Vernadsky（1926）强调了生物圈从地史时期至今在形成和改造地球表层系统中的作用；荷兰微生物学家Bass Becking（1934）首先提出用geobiology一词表达生物与环境的相互作用；提出盖亚假说的Lovelock（1979）强调了生物过程对地球演化的重要性。这些都体现了生物对地球环境的巨大作用。生物在地球物质的形成、风化、沉积和成岩过程中均发挥重要作用。因此，生命过程如何影响地球环境，这是生命与环境相互作用中一个亟待解决的重大科学问题，是人们深刻认识全球地质环境变化的难点，也是地球生物学的一个研究重点。
地球生物学的核心之二是生命与地球环境的协同演化（co evolution）。因为地球表层各圈层是物理化学生物作用的产物，其物质运动表现为生命过程与物理和化学过程的协同作用，这种相互作用是通过生物的生理、生态功能实现的。所有生物过程均在一定的物理、化学环境中发生，不同生物之间也存在相互作用。同时，生物过程与物理过程、化学过程紧密相连，它们交织在一起的动力学过程控制和影响地球的环境。自从生命出现的35亿年以来，生物与环境之间的相互作用历史就是生物与环境的协同演化史。相互作用是动因，协同演化是结果。生命与地球的协同演化这一概念符合地球系统科学的总体观，也符合人与自然协调发展的科学发展观。通过研究地球上现在正在发生的生物过程，解译地球历史上已经发生的生物过程，可以达到预测将来地球的可能发展趋势这一目的。
二、地球生物学的研究对象
在研究对象上，地球生物学涉及生物学参数（有机界）、物理和化学环境参数（无机界）。地球生物学首先涉及各种不同的生物与遗迹，以及它们的活动、埋藏与迁移转化，包括生物的分子和同位素、个体、群落、生态系统与生物圈等不同层次的生物学信息。在生物圈内部，仅靠研究动物和植物是不够的，微生物在地球演化中扮演了极其重要的角色。在技术方法上，不仅包括研究各类动植物化石的形态学技术，也包括研究地质微生物的分子和同位素技术。
地球生物学仅靠研究生物圈是不够的，还需要涉及地球的物理化学环境，如海洋、大气、岩石、土壤等各种环境。地球生物学还包括各类物理和化学环境参数，如温度、降水、氧化还原条件、pH等。研究对象决定了地球生物学不仅需要生物学技术方法的应用，也需要地球化学和地球物理学技术方法的支撑，还涉及研究各类环境条件的沉积学、地球化学和地球物理学的技术，乃至一些矿物学、岩石学方法。
在研究范围或尺度上，地球生物学涉及地球的不同时空尺度。在空间上，生物过程与物理、化学过程的相互作用，可同时涉及微观尺度和宏观尺度。小到分子和原子（同位素）水平的地球生物学过程，特别是各种物质界面过程，大到生物圈与地球其他圈层的相互作用。在时间上，不仅需要研究现代正在发生的作用过程，而且涉及地质历史时期的作用过程，后者也可称为深时（deep time）地球生物学、历史地球生物学等。现代地球生物学过程与深时地球生物学过程互相参照，可以将今论古，以古启今。
三、地球生物学的学科地位
在学科地位上，地球生物学应与地球化学、地球物理学相当（谢树成等，2006；Knoll et al ，2012）。地球生物学与地球物理学和地球化学一起构成了研究地球系统三大物质运动（生命、物理和化学）的学科体系。地球系统科学将地球各圈层作为一个系统，研究各圈层之间的相互作用过程，即地球系统过程（earth system process）。物理过程、化学过程和生物过程是地球系统的三大基本过程。包括人类在内的生物圈与地球其他圈层的相互作用，或生物圈地圈耦合系统，是地球系统的重要组成部分。
地球科学与化学、物理学两大学科领域交叉形成了人们熟悉的地球化学（geochemistry）和地球物理学（geophysics）两大一级学科。地球生物学（geobiology）是地球科学与生命科学交叉所形成的一级学科。但它的发展远比地球物理学和地球化学滞后，成了当前地球系统科学发展的关键，急需突破。
四、地球生物学的特点
1.地球生物学具有鲜明的学科交叉和整合特点
如前所述，地球生物学是两个自然科学（地球科学与生命科学）的一级学科交叉结合的产物。从物质运动角度分析，生命运动是最复杂的运动形式，本身包含着物理运动和化学运动，对于研究生命运动的地球生物学来说，无疑需要化学和物理学的技术。从研究对象来分析，地球生物学需要研究各类生物，从动植物到微生物，从古代的到现代的。同时，还需要研究各类地质环境条件。因此，在技术手段上，地球生物学需要分子生物学的手段和古生物学的形态学技术和方法，需要沉积学、矿物学和岩石学的方法，还需要地球化学（特别是分子和同位素技术）和地球物理学的技术与方法。所以地球生物学是学科整合的产物。
2.地球生物学的核心是明确的，但学科边界是模糊的和流动的
关于环境对生物的作用，人们已经开展了大量研究，取得了许多进展。当前，地球生物学需要突破生命对环境的作用这一关键却薄弱的环节，许多研究需要诠释这些作用的主要过程和机制问题。地质微生物成了当前地球生物学的重点之一。但是，要想预测地球生物学这一迅猛发展的新学科未来20年的状态是很困难的。天体生物学可能是它未来发展的重点之一。因此，不断发展的地球生物学决定了其学科边界是模糊的和流动的（Knoll et al ，2012），它会随着学科的发展而不断解决新出现的科学问题。但它的核心是比较明确的，那就是研究生物与环境之间如何通过相互作用实现协同演化，进而形成当前人们所看到的地球，并由此预测未来生物圈及相关地球圈层的发展方向。
3.地球生物学具有很强的社会服务功能
地球生物学把生命科学和地球科学结合起来，在与人类可持续发展密切相关的生命、资源、环境等领域有很大的应用前景，这将在本章的最后论述。
五、国际地球生物学的发展现状
在国际上，地球生物学得到迅猛发展。美国和德国对地球生物学的研究特别关注。这里，作者分别从大型计划和组织、国际会议、出版论著和期刊专辑及研究团队来概述国际地球生物学的现状。
第一章地球生物学概述
第一节地球生物学的定义、学科地位与发展现状
一、地球生物学的定义
在国际上，有关地球生物学的定义多种多样，但基本类似。Geobiology期刊网站把地球生物学表述为“探索生命与地球的物理与化学环境的学科领域”。它涉及的领域包括生命的起源与演化，大气圈、水圈和生物圈的演化，关键时期的沉积记录与地球生物学，古生物学与演化生态学，环境微生物学，生物地球化学与元素循环，微生物与矿物的相互作用，生物标志化合物，分子生态学与系统发生学。Topics in Geobiology丛书把地球生物学当作涉及地球生命历史的宽泛学科，它的一个核心是生命历史与变化的环境之间的相互关系。Knoll等（2012）在《地球生物学基础》一书中提出：“地球生物学是将生物学的原理和技术方法应用于研究地球的学科，是研究生命如何作用于物理
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