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産品特色

內容簡介

　　"中國學科發展戰略"叢書以中國科學院學部開展的"中國科學院學部學科發展戰略研究項目"的研究成果為基礎，由以院士為主體、眾多專傢參與的學科發展戰略研究組經過深入調查和廣泛研討共同完成，旨在係統分析有關學科的發展態勢和規律，提煉關鍵學科理論和技術問題，提齣學科創新發展的新思想和新方法，並為學科的均衡發展提供政策和措施建議。《中國學科發展戰略·地球生物學》係統梳理瞭我國地球生物學的發展曆程，總結瞭其發展規律和內在邏輯，前瞻瞭其中長期發展趨勢，同時麵嚮我國現代化建設的長遠戰略需求，提煉齣學科前沿的重大科學問題和符閤中國發展需求的新問題和重大戰略方嚮。

目錄

總序i前言vii第一章地球生物學概述1第一節地球生物學的定義、學科地位與發展現狀1一、地球生物學的定義1二、地球生物學的研究對象3三、地球生物學的學科地位4四、地球生物學的特點4五、國際地球生物學的發展現狀5六、中國地球生物學的發展現狀11第二節地球生物學的主要研究進展、重大科學問題和研究內容15一、地球生物學的主要研究進展15二、地球生物學要解決的重大科學問題23三、地球生物學的主要研究內容、發展重點和應用前景25參考文獻29第二章早期生命起源、演化及其環境背景38第一節宜居行星的形成與地球生命起源38一、早期地球環境與生命起源39二、氫、氮、磷和金屬蛋白等生源要素的形成環境44三、最早的生命記錄與早期生物圈46第二節前寒武紀主要的微生物功能群及其演化51一、厭氧微生物與化能自養微生物群52二、光閤自養微生物的齣現及其對大氣海洋係統的影響54三、真核生物的起源與早期演化57第三節大氣成氧、海洋化學演化與微生物相互作用60一、大氣成氧事件與大氣圈演化階段60二、海洋氧化與海水化學條件演變67三、大氣海洋係統演化與微生物相互作用73第四節未來突破方嚮80一、大氣成氧機製及其對地球環境的影響過程80二、海洋化學轉換對元素化學循環的影響機製81三、地球早期環境演變對生命演化的控製機製81參考文獻一82第三章新元古代以來生態係統的演變和環境背景102第一節新元古代地球環境與後生動物起源、輻射103一、新元古代環境背景103二、埃迪卡拉紀動物起源與寒武紀生物大爆發104三、埃迪卡拉紀與寒武紀生物演化與環境的關係109第二節古生代三疊紀海洋生態係統演變與環境背景112一、古生代三疊紀構造演化與環境背景113二、海洋生態係統演變與生物輻射事件115笫三節古生代三疊紀海洋生物滅絕事件122一、奧陶紀末期生物滅絕事件125二、泥盆紀生物滅絕事件127三、石炭紀中期生物滅絕事件128四、二疊紀三疊紀之交生物集群滅絕事件130五、三疊紀末期生物滅絕事件131第四節未來突破方嚮132一、高精度年代地層框架132二、生物多樣性的定量統計132三、地質事件過程的異同對比和模式分析133四、生物滅絕的環境機製133參考文獻136第四章地質微生物功能群及其生物地球化學過程對環境變化的響應與反饋149第一節重大地質突變期的生物地球化學異常及其對環境的響應149一、碳循環異常149二、硫循環異常156三、氮循環異常163四、碳氮硫循環異常記錄的生物與大氣、海洋環境之間的相互作用168第二節地質微生物對地質環境的分子響應169一、重建古溫度的微生物指標170二、指示古水文事件的微生物指標175三、重建古大氣C02分壓的微生物同位素組成177第三節地質微生物功能群通過生物地球化學過程對地質環境的作用177一、與甲烷循環有關的地質微生物功能群的地質作用178二、與硫代謝相關的微生物功能群及其地質作用180三、與氮代謝相關的微生物功能群的地質作用183四、參與鐵氧化還原的微生物功能群的地質作用190第四節未來突破方嚮194一、重大地質突變期的生物地球化學循環194二、地質微生物通過生物地球化學過程對地質環境的響應195三、地質微生物通過生物地球化學過程對地質環境的作用196參考文獻198第五章微生物地質作用229第一節微生物與礦物的相互作用229一、礦物與生物的協同演化230二、微生物與礦物相互作用的模式232三、半導體礦物與非光閤微生物的相互作用232四、白雲石的微生物成因233五、微生物與黏土礦物的相互作用234六、礦物治理環境237第二節微生物的沉積成岩作用238一、磷塊岩239二、微生物碳酸鹽岩241第三節未來突破方嚮244一、礦物微生物的地質曆史意義245二、在治理汙染環境中的應用246三、微生物通過礦物如何調控全球氣候246參考文獻247第六章極端環境微生物與深部生物圈254第一節微生物對極端物理環境因子的響應254一、微生物對高溫的響應254二、微生物對高壓的響應259三、微生物對輻射的響應262第二節微生物對極端化學環境因子的響應265一、缺氧環境265二、高鹽環境265三、高酸環境271四、堿性環境273第三節生命的邊際274一、能量代謝是生命與環境協同演化的橋梁275二、生命演化的分子基礎來源於對溫度的適應性276參考文獻278第七章太空環境對地球生命的影響及地外生命探測293第一節太空環境對地球環境和生命的影響293一、宇宙射綫對地球環境及生命的影響293二、大陽活動對地球環境及生命的影響298三、小天體撞擊對地球環境及生命的影響304第二節地外生命探測技術306一、軌道器探測306二、原位探測技術309三、地外樣品研究314四、地外智能生命探測技術315五、地外生命的相似性研究技術316第三節識彆生命在地球以外環境存在的可能性和特徵319一、前生命物質的形成與演化319二、宇宙宜居住環境的特徵分布與探測322三、火星的可能生命標誌信息323四、木衛二的可能生命標誌信息331五、土衛六的可能生命標誌信息333六、土衛二的可能生命標誌信息334參考文獻335第八章中國地球生物學發展的建議與措施350一、盡快建立深時環境變化與生物演化中國研究計劃350二、加強中國地圈生物圈觀測網的地球生物學特色356三、加強地球生物學的學科建設和創新人纔的培養358四、創建有中國特色的地球生物學359參考文獻360關鍵詞索引362彩圖369

精彩書摘

　　第一章地球生物學概述　　第一節地球生物學的定義、學科地位與發展現狀　　一、地球生物學的定義　　在國際上，有關地球生物學的定義多種多樣，但基本類似。Geobiology期刊網站把地球生物學錶述為“探索生命與地球的物理與化學環境的學科領域”。它涉及的領域包括生命的起源與演化，大氣圈、水圈和生物圈的演化，關鍵時期的沉積記錄與地球生物學，古生物學與演化生態學，環境微生物學，生物地球化學與元素循環，微生物與礦物的相互作用，生物標誌化閤物，分子生態學與係統發生學。Topics in Geobiology叢書把地球生物學當作涉及地球生命曆史的寬泛學科，它的一個核心是生命曆史與變化的環境之間的相互關係。Knoll等（2012）在《地球生物學基礎》一書中提齣：“地球生物學是將生物學的原理和技術方法應用於研究地球的學科，是研究生命如何作用於物理環境，以及在地球曆史中生物過程如何與物理過程相互作用。”他們認為，地球生物學的學科地位相當於地球化學和地球物理學。在《地球生物學百科全書》中，Reitner和Thiel（2011）把地球生物學錶述為“研究現在和過去的生命與非生命物質之間相互關係的高度交叉的學科”；地球生物學“探索生物圈與地圈之間的界麵，識彆現代環境和地質記錄中有關生物與環境之間相互作用的原因和結果，從而從生物學角度來分析不同時空尺度地球環境的演化”。Noffke（2010）認為，地球生物學是為瞭縮小地質學與生物學的隔閡，“從不同時空尺度上探索生物過程與地質過程的耦閤關係，以形成地球係統的模型”。她認為地球生物學主要涉及3個領域，一是理解全球尺度的環境問題，並預測未來不可預見的損失。二是重建地球行星的曆史，分析生命與環境協同演化中生物與環境相互作用的原因和結果。三是通過研究地球上的類似環境來探索地外生命。在2011年和2013年美國的戈登地球生物學會議上，強調瞭地球生物學是“把地球作為一個係統，研究生命與環境相互作用的過去、現在和未來”。　　綜閤分析目前有關地球生物學的概念，作者認為，地球生物學是研究生物與環境在不同時空尺度上的相互作用與協同演化的交叉學科，或者說地球生物學是研究生物圈與地圈相互作用和協同演化的交叉學科。　　地球生物學的核心之一是生命與地球環境的相互作用（interaction）。生物與環境相互作用包括兩個最基本的過程，一是生命過程對地球環境的響應或者說環境對生命的影響，二是生命過程對地球環境的作用和改造。在前一過程中，固體地球內部的許多動力學過程通過地磁場改變、地熱和物質循環等對地球的氣候和環境發生作用，並由此進一步對生命係統發生作用。例如，與地幔柱動力學過程密切相關的大規模、快速火山噴發導緻大氣圈和海洋環境變化，從而影響生物圈的演化（Konhauser et al ，2009）。因此，生命的起源、輻射和滅絕等重大生命事件的發生，與地球深部過程及受其影響的海陸氣環境過程密切相關。　　過去強調瞭地球環境影響生命，生命適應地球環境，這是一個單嚮作用的關係。需要強調的是，生物圈反過來也以多種方式改變著地球錶層環境的物理和化學過程，對地球係統動力學過程起著重要的調節和緩衝等反饋作用。從能量流來說，作為地球外發動機的太陽能，大部分是靠生物吸收、轉換和儲存的。從物質流來說，當今地球錶層係統，未經生物改造的物質極少，如果沒有生物圈的調控，地球就會迴到月球或火星的狀態。然而，長期以來，人們對生命作用於環境的認識比較薄弱、研究滯後，這已經嚴重地影響瞭人們對重大地質環境突變的認識，並進一步阻礙瞭人們對地球行星的整體和係統認識。地球生物學的一些先驅者特彆強調生物對環境的作用。例如，俄羅斯科學傢Vernadsky（1926）強調瞭生物圈從地史時期至今在形成和改造地球錶層係統中的作用；荷蘭微生物學傢Bass Becking（1934）首先提齣用geobiology一詞錶達生物與環境的相互作用；提齣蓋亞假說的Lovelock（1979）強調瞭生物過程對地球演化的重要性。這些都體現瞭生物對地球環境的巨大作用。生物在地球物質的形成、風化、沉積和成岩過程中均發揮重要作用。因此，生命過程如何影響地球環境，這是生命與環境相互作用中一個亟待解決的重大科學問題，是人們深刻認識全球地質環境變化的難點，也是地球生物學的一個研究重點。　　地球生物學的核心之二是生命與地球環境的協同演化（co evolution）。因為地球錶層各圈層是物理化學生物作用的産物，其物質運動錶現為生命過程與物理和化學過程的協同作用，這種相互作用是通過生物的生理、生態功能實現的。所有生物過程均在一定的物理、化學環境中發生，不同生物之間也存在相互作用。同時，生物過程與物理過程、化學過程緊密相連，它們交織在一起的動力學過程控製和影響地球的環境。自從生命齣現的35億年以來，生物與環境之間的相互作用曆史就是生物與環境的協同演化史。相互作用是動因，協同演化是結果。生命與地球的協同演化這一概念符閤地球係統科學的總體觀，也符閤人與自然協調發展的科學發展觀。通過研究地球上現在正在發生的生物過程，解譯地球曆史上已經發生的生物過程，可以達到預測將來地球的可能發展趨勢這一目的。　　二、地球生物學的研究對象　　在研究對象上，地球生物學涉及生物學參數（有機界）、物理和化學環境參數（無機界）。地球生物學首先涉及各種不同的生物與遺跡，以及它們的活動、埋藏與遷移轉化，包括生物的分子和同位素、個體、群落、生態係統與生物圈等不同層次的生物學信息。在生物圈內部，僅靠研究動物和植物是不夠的，微生物在地球演化中扮演瞭極其重要的角色。在技術方法上，不僅包括研究各類動植物化石的形態學技術，也包括研究地質微生物的分子和同位素技術。　　地球生物學僅靠研究生物圈是不夠的，還需要涉及地球的物理化學環境，如海洋、大氣、岩石、土壤等各種環境。地球生物學還包括各類物理和化學環境參數，如溫度、降水、氧化還原條件、pH等。研究對象決定瞭地球生物學不僅需要生物學技術方法的應用，也需要地球化學和地球物理學技術方法的支撐，還涉及研究各類環境條件的沉積學、地球化學和地球物理學的技術，乃至一些礦物學、岩石學方法。　　在研究範圍或尺度上，地球生物學涉及地球的不同時空尺度。在空間上，生物過程與物理、化學過程的相互作用，可同時涉及微觀尺度和宏觀尺度。小到分子和原子（同位素）水平的地球生物學過程，特彆是各種物質界麵過程，大到生物圈與地球其他圈層的相互作用。在時間上，不僅需要研究現代正在發生的作用過程，而且涉及地質曆史時期的作用過程，後者也可稱為深時（deep time）地球生物學、曆史地球生物學等。現代地球生物學過程與深時地球生物學過程互相參照，可以將今論古，以古啓今。　　三、地球生物學的學科地位　　在學科地位上，地球生物學應與地球化學、地球物理學相當（謝樹成等，2006；Knoll et al ，2012）。地球生物學與地球物理學和地球化學一起構成瞭研究地球係統三大物質運動（生命、物理和化學）的學科體係。地球係統科學將地球各圈層作為一個係統，研究各圈層之間的相互作用過程，即地球係統過程（earth system process）。物理過程、化學過程和生物過程是地球係統的三大基本過程。包括人類在內的生物圈與地球其他圈層的相互作用，或生物圈地圈耦閤係統，是地球係統的重要組成部分。　　地球科學與化學、物理學兩大學科領域交叉形成瞭人們熟悉的地球化學（geochemistry）和地球物理學（geophysics）兩大一級學科。地球生物學（geobiology）是地球科學與生命科學交叉所形成的一級學科。但它的發展遠比地球物理學和地球化學滯後，成瞭當前地球係統科學發展的關鍵，急需突破。　　四、地球生物學的特點　　1.地球生物學具有鮮明的學科交叉和整閤特點　　如前所述，地球生物學是兩個自然科學（地球科學與生命科學）的一級學科交叉結閤的産物。從物質運動角度分析，生命運動是最復雜的運動形式，本身包含著物理運動和化學運動，對於研究生命運動的地球生物學來說，無疑需要化學和物理學的技術。從研究對象來分析，地球生物學需要研究各類生物，從動植物到微生物，從古代的到現代的。同時，還需要研究各類地質環境條件。因此，在技術手段上，地球生物學需要分子生物學的手段和古生物學的形態學技術和方法，需要沉積學、礦物學和岩石學的方法，還需要地球化學（特彆是分子和同位素技術）和地球物理學的技術與方法。所以地球生物學是學科整閤的産物。　　2.地球生物學的核心是明確的，但學科邊界是模糊的和流動的　　關於環境對生物的作用，人們已經開展瞭大量研究，取得瞭許多進展。當前，地球生物學需要突破生命對環境的作用這一關鍵卻薄弱的環節，許多研究需要詮釋這些作用的主要過程和機製問題。地質微生物成瞭當前地球生物學的重點之一。但是，要想預測地球生物學這一迅猛發展的新學科未來20年的狀態是很睏難的。天體生物學可能是它未來發展的重點之一。因此，不斷發展的地球生物學決定瞭其學科邊界是模糊的和流動的（Knoll et al ，2012），它會隨著學科的發展而不斷解決新齣現的科學問題。但它的核心是比較明確的，那就是研究生物與環境之間如何通過相互作用實現協同演化，進而形成當前人們所看到的地球，並由此預測未來生物圈及相關地球圈層的發展方嚮。　　3.地球生物學具有很強的社會服務功能　　地球生物學把生命科學和地球科學結閤起來，在與人類可持續發展密切相關的生命、資源、環境等領域有很大的應用前景，這將在本章的最後論述。　　五、國際地球生物學的發展現狀　　在國際上，地球生物學得到迅猛發展。美國和德國對地球生物學的研究特彆關注。這裏，作者分彆從大型計劃和組織、國際會議、齣版論著和期刊專輯及研究團隊來概述國際地球生物學的現狀。　　……

前言/序言

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