地球的“呼吸”

你每天置身其中并吸入肺部的空气，在不同的时刻和不同的季节都会有变化，其变化幅度超出你的想象。这只是拉尔夫·基林（Ralph Keeling）的众多发现之一，这位斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）的科学家测试大气的方式和警察用酒精测试仪对司机进行呼吸检测的方式如出一辙。

基林从事氧气含量测量的工作已逾二十年，这些空气样品从夏威夷、南极洲以及其他很多地区收集，并被密封在小瓶中送到他位于加利福尼亚州拉荷亚（La Jolla）的实验室。如同从呼吸中能检测出微量酒精一样，大气中组分的微小变化就可以证明很多问题，比如人类、植被及浮游生物对地球的影响。

森林，我们经常会说它们是“地球之肺”，因为它们制造了我们所需的氧气，但这个比喻在某些方面并不恰当。肺并不会制造氧气，与此相反，它是消耗氧气的器官；并且基林的研究证明，你所呼吸的氧气中只有一半来源于陆生植物，剩下那部分是由海洋中的藻类以及蓝藻（又叫蓝绿藻，蓝细菌）贡献的，此外还有很少的一部分来源于上层大气中水蒸气的分解，太阳以及遥远恒星辐射的放射线为此过程提供了能量。

不过，结合了基林已故父亲——查理·大卫·基林于1958年在夏威夷莫纳罗亚天文台（Mauna Loa Observatory）发布的二氧化碳分析结果来看，长期的氧气记录数据却与医学呼吸检测仪的读数显示出近乎于诡异的相似性。氧气浓度的年度上升波动恰恰伴随着CO2的循环式下降，这些数据共同打开了一扇神奇的窗户，揭示了地球同植物间的原子级关联。

基林最初研究大气时，曾以为不同地区间的差异会比较明显。让他感到惊奇的是，在排除森林与城市影响的偏远地区，采用同种方法收集到的空气样品几乎没有差异。直至今日，大气混匀的程度和速度还是超出科学家的想象，夏威夷与加州拉荷亚市斯克里普斯码头的CO2平均浓度非常相似。

除此之外，同样值得关注的是，大气记录中还出现了很多类型的节奏性波动。每个白天，二氧化碳的浓度都会缓慢下降，到了晚上又会恢复，而更大规模的季节性波动则是由夏季的波谷与冬季的波峰构成。当拉尔夫·基林继承遗志开始测量氧气浓度时，他得到了类似的曲线，但趋势正好相反。通过这些数据，可以看到，伴随着地球的自转和公转，地球的大气对无数植物和微生物的呼吸做着回应。

促成这一脉动的“起搏器”是太阳。黎明时分，加利福尼亚苏醒过来，拉荷亚的草坪和棕榈树便开始向空气中释放氧气，并从空气中吸取二氧化碳；此时此刻，太平洋海面上漂浮的浮游生物也在做着同样的事情。地球的自转还在继续，直到夜幕降临之时，氧气的生产过程被迫终止，但细胞里那些生产CO2的小工厂却还在持续运转，因为它们不需要太阳能。从而促使当地的二氧化碳水平重新恢复，而氧气水平相应下降。

类似的过程也体现在因季节更迭引起的大气变化中。春天，万物复苏，芽生叶长，O2浓度迅速提升，而CO2有所减少。到了这一年的晚些时日，光合作用变缓，同时枯叶腐烂释放出二氧化碳，于是跟春季相反的变化趋势便发生了。基林的图表揭示了一种锯齿效应，相比于观看，如果你是在倾听这种波动，它听起来好比是长跑运动员的喘息。可见氧气的曲线大概就是：“在春天里努力地呼出，在冬天里深深地吸入。”然后周而复始。

莫纳罗亚火山周边的空气中氧气和二氧化碳浓度在2000年到2012年之间的季节性周期变化与趋势。氧气浓度整体呈下降趋势，主要是因为化石燃料的燃烧和开荒造成的山火与腐烂。感谢斯克里普斯氧气研究项目提供的数据

这里要再一次提起，“地球之肺”的比喻是不太恰当的——不光是说这些“肺”会呼出氧气，而且它们的这一进程还不同步。当一个半球呼气时，另一个半球正在吸气，如果哪位运动员胸腔中那两片肺叶也是如此工作，恐怕会招致不少关注。

基林的记录还清楚地显示出我们人类对大气的影响，不过多数是破坏性的。2013年的早些时日，温室气体二氧化碳的平均浓度达到了400ppm（ppm表示百万分率），相比20世纪50年代时约312ppm的平均值有所增长。引起这一变化的主要原因是化石能源的燃烧，以及砍伐森林引起的腐烂与烧山。不同于光合作用，就跟人类的肺一样，这些现代社会里的人工“肺”消耗的是O2，释放的是CO2，而且这样的行为一直保持着相当大的规模。

当二氧化碳的长期观察记录稳步增长之时，全球平均气温也在同步上升，而氧气的含量却在下降。根据斯克里普斯的O2项目网页显示，拉荷亚的氧气浓度自1992年至2009年，已经下降了0.03个百分点。拉尔夫·基林在接受《圣地亚哥联合论坛报》（San Diego Union-Tribune）的采访时曾说，这是全球性的“燃烧信号”。

在全球变暖的危机以外，我们现在是否需要担忧氧气被耗尽呢？基林的观点是没有必要。在另一次接受《联合论坛报》采访时，他解释道，空气中的氧气含量是很充足的，微小幅度的损耗并非什么危机。然而，“氧气的变化趋势帮助我们理解，是什么控制了CO2的增长”。斯克里普斯O2项目的报告中提到，自工业革命起，大约有一万亿吨的氧气因燃烧化石能源被消耗，但相对于大气中海量的氧气储备而言，也只是总量的0.1％而已。这个比例对人类的健康影响微乎其微，而在没有不良因素影响的大城市，季节性的氧气水平变化常常可以达到10％或更高的比例。

地球上氧气的储备如此丰沛，以至于全世界所有的植物及浮游生物的年度产出几乎不能对其构成影响。空气中飘浮着1000万亿吨的氧气，大约相当于它们两千年的产出总和。在更为寒冷黑暗的季节以及夜晚时，光合作用不再进行，生命仍然可以找到那些很久以前就产生的氧气而得以生存。

要想从个人的水平理解这一巨大的概念，你或许可以四处走走，接触那些正在维持你生存的氧气制造者。森林研究员大卫·诺瓦克（David Nowak）和他团队出版的《树木栽培与城市林业》（Arboriculture & Urban Forestry）一书讲道，平均1英亩（4047平方米）树林一年生产的氧气足够8个人维持生息，当然精确的换算关系还取决于树种、树龄以及树木生长的环境等。全美国的城市树木每年可以生产出6700万吨氧气，足够维持2/3的美国人生存了。相关报告的城市名单显示，全美氧气生产量的桂冠由郁郁葱葱的佐治亚州城市亚特兰大摘得，这里的树木每年所产生的9.5万吨氧气几乎可供此处所有居民呼吸。纽约市与华盛顿特区分别摘得榜眼与探花，每年分别生产6.1万吨和3.4万吨氧气。新泽西州的费里霍尔德（Freehold）排名垫底，每年的产量只有区区1100吨。

在城市中种树有很多美好的理由，冬暖夏凉也好、美化环境也好，却没有以生产氧气为目的。即使在寸草不生的沙漠里，你也都能轻松地找到充足而又完美的氧气用于呼吸，对于新泽西的费里霍尔德也一样。而且不管你身在何处，即使在冬季，本地的树木已经落叶或休眠之时，你仍然可以获得足够的氧气。大多数你吸入的氧气分子来自于远方，并且拥有很长的历史，你下一次呼吸的氧气中，也只有很少一部分是在过去一年内生成的。

尽管你或许会很容易展开联想，植物是为了我们的利益才生产了氧气，但事实上，你吸入的氧气，不过是这些光能收集者为自己准备盛宴时不小心撒出来的面包屑而已。植物也和你一样拥有线粒体，它们生产的氧气大多被自己消耗了。无论森林还是海洋所生产的氧气，其实都只是泄漏物，而且大部分在逸出后很快就被锈蚀、腐烂和燃烧等过程消耗了。如果死去的植物、动物和微生物不是在腐烂或焚烧前就大量被土壤和海洋沉积物掩埋，那么大气中的氧气含量最终会降到接近于零的水平，所有人都会窒息。你的另一个氧气来源或许可以通过从海水中拉起一张细眼渔网而找到，如果捕获物接近于棕黄色，那么你可能收集到了硅藻。在显微镜下，它们看上去就像是一块块包裹着玻璃外壳的金色果冻，看上去有的像雪花，有的像针头，有的则像是精心设计的轮毂罩。其他一些可以发生光合作用的浮游生物，通常具有奶油状白垩外壳或是像一串绿色的孔雀石珠子。海带则类似植物的近亲，其外形可以像是绿色的膜，或是一张棕色的软质橡胶垫，又或是起皱的莴苣。拉尔夫·基林测算，每年北半球海洋生物通过光合作用产生的氧气接近300亿吨，南半球还要多出一半。

如果你穿过大气来到高空，或许氧气短缺会成为问题。重力作用使得气体分子在低海拔的位置聚集，在海平面上，每平方英寸的气压大约是15磅（1标准大气压＝14.696磅/英寸2＝101.325千帕）。这个压力不会让你感到不适，因为在你的体内到处都分布着空气，内部压力与外部压力刚好匹配。这种感受更像是在游泳池中漂浮，而不是在头和肩膀上顶了一只重达3/4吨的水球。如果不是坐飞机或是在高山上行进时耳朵有些不适，我们大多数人甚至都不会注意到这股始终存在的压力。

根据altitude.org提供的在线气压计，在一座海拔1英里（1.6千米）的山峰上，你仍然可以获取相当于海拔零点处83％的氧气；然而当你爬到1.5英里（2.4千米）左右时，空气变得更稀薄，氧气浓度也降到了75％以下，高原反应便可能成为实际麻烦了。人们有时会在高空飞行的航班中感到头痛，很多时候就是因为舱内低压导致的轻微缺氧，这种情况与身处海拔1.5英里高的山上类似。

有些人群的祖先在高海拔地区生活了数百年，由此可能形成基因突变，从而使他们更能适应缺氧状态。多数西藏人都比其他人群的呼吸速度更快，并且每一次呼吸可以吸入更多的空气，这便是因为基因遗传让他们能更好地适应氧气短缺的情况。安第斯人的血液中存在大量的变异红血球，具备从空气中提取更多的氧气的能力。

肉眼观察空气压力。左图：一只塑料瓶在秘鲁安第斯山脉海拔15500英尺（4724米）的高度上封紧瓶盖，这里每一次呼吸中的空气分子都只有在海平面呼吸时的一半。右图：同一只瓶子未经启封带到接近海平面高度的利马，更稠密的空气分子产生的压力将瓶子挤压变形。照片由科特·施塔格拍摄

但是即便是这些拥有特殊基因的人群，长期在世界最高峰生存也是不可能的。很简单，我们与那些具备光合作用的生物之间存在着原子级的关系，而这个关系不能太过遥远。