[科普中国]-生物地质学

生物地质学研究固体地球系统与生物圈之间相互作用及其规律。它主要涉及地史时期(包括地史时期的大气圈和水圈)，但亦包括正在进行的生物地质作用，如生物成岩、成矿作用及在固体地球中进行的生物地球化学作用。1

概述生物地质学(Biogeology)是研究生物圈与地球其他层圈相互影响的一门新的地学分支学科，它是数、理、化、天、地、生六大基础学科中的一级交叉学科。

生物地质学的重要性生物地质学是地球系统科学的重要组成部分。地表四大圈层(表层岩石圈、水圈、生物圈、大气圈)的相互作用，加上地球内力和宇宙的影响，决定了地球表层的演化和发展，也决定了人类生存的资源与环境。其中，对其他圈层作用反馈最灵敏，又具有最大再生产(再循环)能力的生物圈是关键的一圈。根据它的变动划分地球演化阶段(如古生代一中生代)，在各圈层物质和能量交换中，它都起重大作用(如碳循环)，一些地学难题一经注意生物作用，往往豁然开朗，形成了新的理论(如生物灭绝．+新灾变论)，认识了新的地质作用(如生物成矿作用)。

在数、理、化、天、地、生六大基础科学中，数、理、化、天均已与地质学结合，形成了蓬勃发展的数学地质、地球物理、地球化学与天文及行星地质学，惟独生物学与地质学的结合尚未臻繁荣，这是一个大有远景的交叉学科。任何时代的学科都要与占领该时代前沿的领头学科相结合，吸取其理论成就与技术，才能取得迅速发展。2l世纪是生物学世纪，而且生命科学和地球科学均已被我国列入今后要重点发展的五大基础科学之内，因此生物学和地质学的结合是必然要发展的交叉科学领域，它孕育着地质学和生物学发展的许多新方向。但恰恰对这关键的一环，长期以来认识不足，研究较差。1

研究内容岩石圈、水圈、大气圈作用于生物圈及影响岩石圈、水圈、大气圈作用于生物圈，对生物圈造成的影响，又可通过生物圈的响应(如古生物地理学与古生态学的反演)而识别这些影响，并应用于地球系统科学。

1．生物地层学(Biostratigraphy)。

2．生态地层学(Ecostratigraphy)。

3．古生物地理学(Paleobiogeography)和古生物一气候研究

(1)古生物地理学。

(2)古生物气候研究。

生物圈作用于岩石圈、水圈、大气圈及影响1．生物成岩作用(Biodiagenesis)

2．生物戍矿作用(Biometallogenesis)

3．生物地球化学研究生物地质作用

分子地球生物学分子地球生物学(Molecular geobiology)是NRC(2000)中创用的词，意指分子生物学、分子古生物学(Molecular paleontology)和地学相结合的研究。

1．生物出现前的化学生物学和生命的起源包括生物大分子的起源、细胞膜的起源、遗传密码的起源、磷的作用、粘土表面的有机反应等，现已认识到生物出现前的生物大分子在38亿年前即已形成。例如，硫酯和乙酸等分子在早期地球演化的地球化学环境下即已生成，核替酸和氨基酸也已合成，这为生命起源提供了可能的线索。

2．从地质体追索生命的演化、特别是早期演化沉积岩中生物标志化合物的同位素组成特征，现已可用高精度仪器(如GC—C/TC一[RMS)加以测定和描述。这样就可能追溯生命演化中重要新陈代谢过程出现的时间、顺序及其作用。分子证据表明，早在25亿年前，蓝藻就在生产大量氧气；至少在27亿年前，具有复杂结构的真核细胞生物就可能已经出现，这比已知的最古老的真核化石早5亿一6亿年。

3．演化树、分子钟大多数动物的核心进化基因是相同的，植物亦是如此。根据生物分类单位的基因相似性，可建立起包含全部生物门类的分子演化树。由于相当一部分蛋白质分子进化速度具有恒定性，可以根据生物DNA之间的差异，对分子演化树的各分支标定时间，建立起分子钟。

4．分子地层学和全球变化的分子标志作为地质历史时期生物有机体遗留下来的有机分子，特别是其中的分子化石，能精细记录各种不同时间分辨率的全球气候和植被变化信息。研究载体已涉及全球变化的诸多关键载体，如海相沉积物、湖?自和泥炭沉积物、冰芯、黄土一古土壤系列、洞穴石笋、树木年轮等。例如海洋沉积物长链不饱和酮的不饱和度与海水表面温度的定量关系，全球性古火灾(如自垩纪、古近纪)的分子标志等。利用分子化石这些特征．可以在传统的哑地层(如红土)中划分对比地层，用气候事件及灾难事件的分子标志对比地层等，从而形成了分子地层学。

5．极端环境中的生命过程 在极端环境条件下(如“深部生物圈”)发现的古细菌类(嗜盐菌、嗜热酸菌、极端嗜热菌)，已经构成生物界的新的大类，大大拓宽了生命多样性的概念；在南极冰盖几千米深处、沿洋中脊的活火山口中和pH值为零的流体中也已经发现了微生物。板块俯冲带中可能存在地球上最深的、由化学氧化还原反应释放的能量(而不是太阳辐射能)维持其生存的生态系。同时，对极端环境中的现代生命过程的认识，不仅在生物技术应用上有巨大潜力，而且对于进一步理解生命起源和地外生命都有重要的理论意义。这些极端环境生命过程的研究很多都是在分子水平上进行的。

6．环境污染的分子标志 在当代环境污染研究中，已明确提出了环境污染的化石生物标志物和人类活动标志物。前者指化石燃料和沉积物中的分子化石造成的现代环境污染，典型的例子如海洋中的石油泄漏造成的污染。后者指人类在利用这些分子化石过程中所引起的环境污染，如人工合成的DDT，PCB，PAH等的有机污染。这些有机污染物已影响到了大气圈、水圈(冰冻圈)、生物圈和土壤圈，有关这些污染源的形成过程和消除都离不开对分子化石本身地球化学性质的研究。2

生物圈与地球层圈相互作用的规律性研究1．生物演化中的环境因素问题生物演化的理论大体主要有三类。它们对环境在生物演化中所起的作用观点不同。

2．生物与地球的协同演化(GO—evolution of organisms and earth)宏演化基本模式(basic model of macroevolution)：古生物突变或灾变式演化的新思潮，彻底改变了以渐变论为基调的演化基本模式。生物演化不仅是由简单到复杂，由低级到高级的前进式发展，而且是由大量灭绝、适应辐射、稳定发展相交替的阶段式发展。由此，在20世纪90年代，引发出显生宙生物大爆发、大灭绝、大复苏、大辐射的宏演化模式。生物的爆发、灭绝、复苏和辐射成为生物宏演化进程中有机联系的四个重要过程。

研究方法地球系统科学可分为研究、观测、信息、管理四个体系，作为其组成部分的生物地质学也可分为相应的四个体系。

研究体系1．多学科综合研究

2．应用当代实证科学方法——观察、分析阐述、建模、确证和预测

(1)观察和分析。

(2)模式检验和模拟研究。

(3)设定多参数、动态、开放系统，进行验证和预测。

3．将今论古，以古启今

观测体系近年来涌现的新技术、新方法已使我们能进入过去不可想像的研究领域，应当注意应用它们为生物地质学服务。

1．生物技术

2．化学和地球化学技术

3．地质学方法

信息体系作为地球系统科学组成部分的生物地质学，其研究必须建立和依靠全球性、全国性和区域性的信息体系。国际的信息体系已经由诸多国际计划建立。例如，全球变化计划框架包括国际地圈一生物圈计划、国际生物多样性计划、全球变化与陆地生态系统计划(GCTE)等，生物地质学信息可以通过它们的出版物及其网站获得。我国也正在建设可以资源共享的地学信息系统平台。我们自身要建立相应的数据库，并使之汇人上述信息体系。同时又要及时充分地利用上述信息体系。否则其工作将事倍功半，会日益拉开我国与国际的差距，同时又不能为人类和国家的目标服务，失去其工作的意义。3

管理体系基于对地球系统及其生物地质作用的科学认识，人类应当从人文社会科学角度研究对策，例如上述全球变化计划框架还包括全球变化的法制因素(IDGEC)等诸计划，它们形成第四个体系，即管理体系。

研究目标生物地质擘研究总的目标(1)阐明地史时期生物圈与地球其他圈层相互作用的规律，地史上生物圈对地球系统作用的反馈和生物圈对地球系统的影响。

(2)阐明当代全球变化中生物圈演变规律，它与其他圈层的作用与反作用，并预测当代生态体系演变的中长期全球性后果。4

近期预期成果根据美国国家科学理事会(2001)预测，生物地质学新的基础研究创新成果可能出现以下主要领域中：

(1)地球表层生物圈、生物作用过程和基本物理性质与化学性质之间相互关系。

(2)生物作用过程对地质作用过程(如风化作用和矿物沉淀作用)的影响程度以及这种影响的发生机制。

(3)生物地球化学循环的作用方式，以及物理、化学、生物作用过程对该循环的控制和调节方式。

(4)物理因素(包括稀有事件)在构成和改变生物群落的组织方面所起的作用。

(5)内外因素在控制生物变革的性质和速度中的相对重要性。

(6)生物灭绝和复苏的速度和选择性，以及如何衡量物理和生物环境中变化的持续时间、量级和地理范围。

(7)环境变化的原因，包括生物作用过程危害环境的方式及挽救环境危害的方式。

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学