生物地質學

生物地質學研究固體地球系統與生物圈之間相互作用及其規律。它主要涉及地史時期(包括地史時期的大氣圈和水圈)，但亦包括正在進行的生物地質作用，如生物成岩、成礦作用及在固體地球中進行的生物地球化學作用。

基本介紹

• 中文名：生物地質學
• 外文名：biogeology

概述

生物地質學(Biogeology)是研究生物圈與地球其他層圈相互影響的一門新的地學分支學科，它是數、理、化、天、地、生六大基礎學科中的一級交叉學科。

生物地質學的重要性

生物地質學是地球系統科學的重要組成部分。地表四大圈層(表層岩石圈、水圈、生物圈、大氣圈)的相互作用，加上地球內力和宇宙的影響，決定了地球表層的演化和發展，也決定了人類生存的資源與環境。其中，對其他圈層作用反饋最靈敏，又具有最大再生產(再循環)能力的生物圈是關鍵的一圈。根據它的變動劃分地球演化階段(如古生代一中生代)，在各圈層物質和能量交換中，它都起重大作用(如碳循環)，一些地學難題一經注意生物作用，往往豁然開朗，形成了新的理論(如生物滅絕．+新災變論)，認識了新的地質作用(如生物成礦作用)。

在數、理、化、天、地、生六大基礎科學中，數、理、化、天均已與地質學結合，形成了蓬勃發展的數學地質、地球物理、地球化學與天文及行星地質學，惟獨生物學與地質學的結合尚未臻繁榮，這是一個大有遠景的交叉學科。任何時代的學科都要與占領該時代前沿的領頭學科相結合，吸取其理論成就與技術，才能取得迅速發展。2l世紀是生物學世紀，而且生命科學和地球科學均已被我國列入今後要重點發展的五大基礎科學之內，因此生物學和地質學的結合是必然要發展的交叉科學領域，它孕育著地質學和生物學發展的許多新方向。但恰恰對這關鍵的一環，長期以來認識不足，研究較差。

研究內容

岩石圈、水圈、大氣圈作用於生物圈及影響

岩石圈、水圈、大氣圈作用於生物圈，對生物圈造成的影響，又可通過生物圈的回響(如古生物地理學與古生態學的反演)而識別這些影響，並套用於地球系統科學。

1．生物地層學(Biostratigraphy)。

2．生態地層學(Ecostratigraphy)。

3．古生物地理學(Paleobiogeography)和古生物一氣候研究

(1)古生物地理學。

(2)古生物氣候研究。

生物圈作用於岩石圈、水圈、大氣圈及影響

1．生物成岩作用(Biodiagenesis)

2．生物戍礦作用(Biometallogenesis)

3．生物地球化學研究生物地質作用

分子地球生物學

分子地球生物學(Molecular geobiology)是NRC(2000)中創用的詞，意指分子生物學、分子古生物學(Molecular paleontology)和地學相結合的研究。

1．生物出現前的化學生物學和生命的起源包括生物大分子的起源、細胞膜的起源、遺傳密碼的起源、磷的作用、粘土表面的有機反應等，現已認識到生物出現前的生物大分子在38億年前即已形成。例如，硫酯和乙酸等分子在早期地球演化的地球化學環境下即已生成，核替酸和胺基酸也已合成，這為生命起源提供了可能的線索。

2．從地質體追索生命的演化、特別是早期演化沉積岩中生物標誌化合物的同位素組成特徵，現已可用高精度儀器(如GC—C/TC一[RMS)加以測定和描述。這樣就可能追溯生命演化中重要新陳代謝過程出現的時間、順序及其作用。分子證據表明，早在25億年前，藍藻就在生產大量氧氣；至少在27億年前，具有複雜結構的真核細胞生物就可能已經出現，這比已知的最古老的真核化石早5億一6億年。

3．演化樹、分子鐘大多數動物的核心進化基因是相同的，植物亦是如此。根據生物分類單位的基因相似性，可建立起包含全部生物門類的分子演化樹。由於相當一部分蛋白質分子進化速度具有恆定性，可以根據生物DNA之間的差異，對分子演化樹的各分支標定時間，建立起分子鐘。

4．分子地層學和全球變化的分子標誌作為地質歷史時期生物有機體遺留下來的有機分子，特別是其中的分子化石，能精細記錄各種不同時間解析度的全球氣候和植被變化信息。研究載體已涉及全球變化的諸多關鍵載體，如海相沉積物、湖?自和泥炭沉積物、冰芯、黃土一古土壤系列、洞穴石筍、樹木年輪等。例如海洋沉積物長鏈不飽和酮的不飽和度與海水表面溫度的定量關係，全球性古火災(如自堊紀、古近紀)的分子標誌等。利用分子化石這些特徵．可以在傳統的啞地層(如紅土)中劃分對比地層，用氣候事件及災難事件的分子標誌對比地層等，從而形成了分子地層學。

5．極端環境中的生命過程 在極端環境條件下(如“深部生物圈”)發現的古細菌類(嗜鹽菌、嗜熱酸菌、極端嗜熱菌)，已經構成生物界的新的大類，大大拓寬了生命多樣性的概念；在南極冰蓋幾千米深處、沿洋中脊的活火山口中和pH值為零的流體中也已經發現了微生物。板塊俯衝帶中可能存在地球上最深的、由化學氧化還原反應釋放的能量(而不是太陽輻射能)維持其生存的生態系。同時，對極端環境中的現代生命過程的認識，不僅在生物技術套用上有巨大潛力，而且對於進一步理解生命起源和地外生命都有重要的理論意義。這些極端環境生命過程的研究很多都是在分子水平上進行的。

6．環境污染的分子標誌 在當代環境污染研究中，已明確提出了環境污染的化石生物標誌物和人類活動標誌物。前者指化石燃料和沉積物中的分子化石造成的現代環境污染，典型的例子如海洋中的石油泄漏造成的污染。後者指人類在利用這些分子化石過程中所引起的環境污染，如人工合成的DDT，PCB，PAH等的有機污染。這些有機污染物已影響到了大氣圈、水圈(冰凍圈)、生物圈和土壤圈，有關這些污染源的形成過程和消除都離不開對分子化石本身地球化學性質的研究。

生物圈與地球層圈相互作用的規律性研究

1．生物演化中的環境因素問題生物演化的理論大體主要有三類。它們對環境在生物演化中所起的作用觀點不同。

2．生物與地球的協同演化(GO—evolution of organisms and earth)宏演化基本模式(basic model of macroevolution)：古生物突變或災變式演化的新思潮，徹底改變了以漸變論為基調的演化基本模式。生物演化不僅是由簡單到複雜，由低級到高級的前進式發展，而且是由大量滅絕、適應輻射、穩定發展相交替的階段式發展。由此，在20世紀90年代，引發出顯生宙生物大爆發、大滅絕、大復甦、大輻射的宏演化模式。生物的爆發、滅絕、復甦和輻射成為生物宏演化進程中有機聯繫的四個重要過程。

研究方法

地球系統科學可分為研究、觀測、信息、管理四個體系，作為其組成部分的生物地質學也可分為相應的四個體系。

研究體系

1．多學科綜合研究

2．套用當代實證科學方法——觀察、分析闡述、建模、確證和預測

(1)觀察和分析。

(2)模式檢驗和模擬研究。

(3)設定多參數、動態、開放系統，進行驗證和預測。

3．將今論古，以古啟今

觀測體系

近年來湧現的新技術、新方法已使我們能進入過去不可想像的研究領域，應當注意套用它們為生物地質學服務。

1．生物技術

2．化學和地球化學技術

3．地質學方法

信息體系

作為地球系統科學組成部分的生物地質學，其研究必須建立和依靠全球性、全國性和區域性的信息體系。國際的信息體系已經由諸多國際計畫建立。例如，全球變化計畫框架包括國際地圈一生物圈計畫、國際生物多樣性計畫、全球變化與陸地生態系統計畫(GCTE)等，生物地質學信息可以通過它們的出版物及其網站獲得。我國也正在建設可以資源共享的地學信息系統平台。我們自身要建立相應的資料庫，並使之匯人上述信息體系。同時又要及時充分地利用上述信息體系。否則其工作將事倍功半，會日益拉開我國與國際的差距，同時又不能為人類和國家的目標服務，失去其工作的意義。

管理體系

基於對地球系統及其生物地質作用的科學認識，人類應當從人文社會科學角度研究對策，例如上述全球變化計畫框架還包括全球變化的法制因素(IDGEC)等諸計畫，它們形成第四個體系，即管理體系。

研究目標

生物地質擘研究總的目標

(1)闡明地史時期生物圈與地球其他圈層相互作用的規律，地史上生物圈對地球系統作用的反饋和生物圈對地球系統的影響。

(2)闡明當代全球變化中生物圈演變規律，它與其他圈層的作用與反作用，並預測當代生態體系演變的中長期全球性後果。

近期預期成果

根據美國國家科學理事會(2001)預測，生物地質學新的基礎研究創新成果可能出現以下主要領域中：

(1)地球表層生物圈、生物作用過程和基本物理性質與化學性質之間相互關係。

(2)生物作用過程對地質作用過程(如風化作用和礦物沉澱作用)的影響程度以及這種影響的發生機制。

(3)生物地球化學循環的作用方式，以及物理、化學、生物作用過程對該循環的控制和調節方式。

(4)物理因素(包括稀有事件)在構成和改變生物群落的組織方面所起的作用。

(5)內外因素在控制生物變革的性質和速度中的相對重要性。

(6)生物滅絕和復甦的速度和選擇性，以及如何衡量物理和生物環境中變化的持續時間、量級和地理範圍。

(7)環境變化的原因，包括生物作用過程危害環境的方式及挽救環境危害的方式。