·方舟子·
自生命起源到现在的数十亿年间，地球上大约出现过数十亿个物种，而现存的物种只有大约数百万个，也就是说，地球上曾经出现过的物种，99％以上都已灭绝。没有一个物种能够永世长存，现存的物种以后也会一个一个地灭绝。物种灭绝是一个一直在发生的过程，大部分（约占三分之二）的灭绝是由于不同物种之间的竞争、环境的变化等进化因素，分散地发生的，被称为背景灭绝。但是剩下的三分之一的灭绝，却是集中发生的，在比较短的时间内，仿佛祸从天降，许多物种一起灭绝，被称为大灭绝。
物种大灭绝让地层中的化石分布出现了断层，某类群的化石完全消失了，而被新的化石类群所取代。地质学家根据古生物化石类群的更替现象来划分地质年代，把地质年代划分为古生代、中生代和新生代三个时期，每代之下再分为几个纪。
古生物化石的更替现象在代与代更替时表现得最明显。从古生代的最后一个纪（二叠纪）到中生代的第一个纪（三叠纪），化石分布存在着最显著的跳跃，表明发生了生物史上最大的一次灭绝：在古生代大量存在的三叶虫到了二叠纪末期（约2亿2500万年前）再也找不到，而且96％的海洋生物物种也都灭绝了。从中生代的最后一个纪（白垩纪）到新生代的第一个纪（第三纪）的化石分布变化也非常明显，这一次的物种大灭绝规模虽然比不上三叠纪大灭绝，却最为著名：在中生代盛极一时，曾经主宰大地两亿年的恐龙，到了白垩纪后期（约6500万年前）完全不见了，同时灭绝的还有大约70％的海洋生物物种。
生物史上的大灭绝并非只有这么两次。上个世纪80年代末的一项研究表明，生物大灭绝在历史上共发生过大约23次，大约每2600万年发生一次，似乎具有周期性。对于物种大灭绝的发生是否真的如此频繁和有规律，还有争议。但即使是最保守的估计，也认为至少有5次物种大灭绝是非常明显的。物种大灭绝即使不是有规律的周期性现象，也是反复发生过的。那么它为什么会反复地发生？
恐龙的灭绝最为著名，研究它的人也最多，形形色色的“恐龙灭绝理论”不断地被提出。气候变化、火山爆发是经常被提到的因素。有的恐龙灭绝理论比较有创意，比如说哺乳动物把恐龙蛋吃光了。有的理论则到了荒谬的地步，比如说恐龙是集体自杀的，是被外星人吃光的等等。
终于，有一个恐龙灭绝理论得到了大多数人的认同。1980年，曾获诺贝尔物理学奖的路易斯·阿尔法雷兹等人提出，恐龙灭绝是由于一颗小行星撞击地球引起的。这样的撞击爆发出巨大的能量，相当于几十万颗原子弹在地球上同时爆炸，足以引起物种的大灭绝。这听上去有点匪夷所思，但是并非空口无凭。阿尔法雷兹等人发现处于白垩纪和三叠纪边界的岩层含有高浓度的稀土元素。稀土元素在地球岩层中虽然稀少，在陨石中却含量很高，因此这种异常现象表明在白垩纪后期，曾经有一颗大陨石跟地球相撞。1990年，在墨西哥的尤卡坦半岛发现了一个直径长达180公里陨石坑，被认为就是那次撞击留下的。
现在已很少有科学家怀疑，在6500万年前曾经发生过一次惊天动地的陨石大碰撞。但是，在那个时间段发生过陨石大碰撞不等于就是它引起了物种大灭绝。在其他地质时期也有曾经发生过陨石大碰撞的迹象，但是当时的化石分布却无任何异常。不少科学家仍然坚持认为火山频繁爆发、气候变化或哺乳动物的兴起才是恐龙灭绝的主要因素。其它的几次大灭绝，我们连发生过陨石碰撞的迹象都难以找到。物种大灭绝是不是还有别的更普遍的因素？
如果我们能够统计各个地质时期物种灭绝的规模，说不定能从中发现什么规律。但是一个物种的化石数量往往非常稀少，对它们进行统计容易造成误差，如果统计属（相似的物种组成一个属）或科（相似的属组成一个科）的灭绝情况，就要准确得多。这是个极为繁琐的工作。芝加哥大学古生物学家塞普科斯基在图书馆泡了10年，统计化石数量最为丰富的海洋无脊椎动物各个属、科产生和灭绝的时间。这项工作在1993年完成后，又激发了其他人去统计其他类群的古生物的情况。
把这些数据汇合在一起，计算各个地质时期灭绝的科的数量，不出所料，通常灭绝的规模不大，但是时不时的，会出现灭绝的高峰，最高的5个峰，对应着最大的5次灭绝。这样的结果似乎没有什么新颖之处。但是在1998年，有两位物理学家换了个角度分析塞普科斯基的数据，统计灭绝规模的分布情况，有了出乎意料的发现：灭绝规模每增加一倍，发生的几率就减少为四分之一。
这表明生物灭绝和地震、森林大火、沙堆坍塌一样，发生的频率也遵循幂律。当我们见到大事件时，总是习惯于认定它必然是由某种特殊的原因引起的。但是我们以前介绍过，幂律表明，大事件的发生因素与小事件的发生因素相同，它们的出现纯属偶然，是处于临界状态的系统发生连锁反应的结果，并没有特别的“大”因素（参见《野火烧不尽》，本版2009年9月9日）。当我们挖空心思要为物种大灭绝寻找特别的原因时，是否也误入歧途？也许，全球生态系统和地壳、森林、沙堆一样也处于临界状态，物种大灭绝和背景灭绝的发生因素并无不同，乃是普通的进化过程中一个罕见的，但是自然而然地发生的结果。
2009.9.14
（《中国青年报》2009.9.16）
(XYS20090917)
野火烧不尽
·方舟子·
原本湛蓝的洛杉矶天空，变成了灰、红混杂。远处安吉利斯国家森林冒着浓烟。这是洛杉矶郡历史上最大的一场森林大火，从8月26日烧到现在火势才得到部分控制，已烧掉了约6万公顷的林地，占整片森林的20％以上。美国森林服务局认定这场大火的起因是有人纵火。这个认定并不意外。除了被闪电点燃，90%以上的野火都是人为引起的，不管是有意还是无意。人类与森林的接触日益紧密，森林野火发生的频率也就越高。就在同一时间，全美各地还有十几处森林大火在烧着。但是为什么只有安吉利斯的大火严重到成为了新闻？
一场火灾要能发生和维持，取决于热、燃料和氧气三要素。这三要素只要缺了一个，温度不够高、燃料匮乏或氧气有限，火就无法传播，会慢慢熄灭。在这些要素中，影响野火大小的主要是燃料：树木的湿度、形状、大小、多少、彼此之间的距离、在地面上的排列状况等等都影响着火势的传播，而树木的情况又与树的种类和年龄有关。还有许多环境因素也能影响火势：风能把火吹旺，雨能把火浇灭，河流能阻碍火的传播……有没有什么一般规律能让我们预测一场野火的规模（即森林被焚面积）呢？比如说，哪种规模的野火最为典型？
1998年，美国康奈尔大学研究人员用计算机模型对森林野火进行模拟。他们在网格上种虚拟的树，每一步骤在某个格子上种一棵，种在哪一个格子上是随机的，每个格子只能种一棵。随着时间的推移，网格上的树就逐渐地多起来。然后，每隔一定数量的步骤之后，程序就往网格上扔下一根虚拟的火柴，扔在哪里也是随机的。如果扔的那个格子上有树，树就被点燃了。如果这棵树相邻的四个格子上有树，火就传了过去。
他们反复地运行这个程序，统计每次虚拟野火的规模，并没有找到典型的野火规模，却发现野火的发生遵循幂律，野火的规模越大，发生的频率就越低。
我们以前介绍过，地震、沙堆崩塌的规模大小与发生的频率关系都遵循幂律（参见《像沙堆一样崩塌》，本版2008年6月4日）。幂律表明，大事件和小事件都是由相同的因素引起的，并没有特别的“大”因素。地壳或沙堆处于自组织的临界状态（自身逐渐形成的高度敏感的不稳定状态），在这种情况下任何规模的地震或坍塌都可能发生，大规模地震或坍塌的出现纯属偶然，并无其他的特殊因素，是不可预测的。
看来发生野火的虚拟森林处于自组织的临界状态，那么真实的森林野火是否也如此呢？康奈尔大学的研究人员统计了发生在美国和澳大利亚的森林野火，同样没有找到典型的野火规模，并且它们也遵循幂律。看来森林的确是处于自组织的临界状态。这一发现不仅不能用来预测野火的规模，反而表明大规模野火的发生是不可预测的。
不过，研究人员通过计算机模拟发现的另一个现象，却对如何控制野火的规模很有启发。他们用不同的点火频率进行模拟。有的模拟每种125棵树扔一根火柴，有的每种500棵树扔一根火柴，有的则每种2000棵树才扔火柴。点火的频率越低，发生大火的频率就越高。在频率低到每种2000棵树才扔火柴时，这时网格上已密密麻麻布满了树，扔下的火柴通常点燃大量的树木，在许多情况下甚至烧光了所有的树。
他们把这称为“黄石公园效应”。在1972年之前，黄石公园对野火采取零容忍政策，一旦发现野火就尽量将其扑灭。这就像是模拟程序中超低的点火频率，也出现了类似的后果：1988年黄石公园突发大火，烧掉了32万公顷的森林，占黄石公园面积的36％。
对任何野火都强行扑灭，这样做让森林不再处于临界状态，而是处于更不稳定的超临界状态：森林里充满了老树、死树、矮树、野草，地面堆满了树枝、树皮、枯叶，这些全都是上好的燃料，只要有了火源，就会熊熊燃烧起来，不可抑制地蔓延开去。野火是不可能完全制止的，只会推迟其爆发，推迟得越久，后果就可能越严重。
美国林业部门后来意识到了野火也是森林自然生态一个不可或缺的部分，对自然因素引起的野火不再扑灭，任其燃烧（除非威胁到生命、财产的安全）；林务员时不时地还在严格控制下有选择地放火烧掉一部分森林。但是要让森林恢复被破坏了近百年的自然平衡还需要时间。如果美国林业部门早一点放弃对野火零容忍的政策，也许1988年的黄石公园大火就可以避免，安吉利斯国家森林所在的加州也不至于近年来连连爆发森林大火了。
2009.9.6.
（《中国青年报》2009.9.9）
(XYS20090909)
沒有留言:
張貼留言