我們鄭重向讀者推薦著名海洋地質學家👨🏼‍🦲、恒达平台教授汪品先院士這篇文章。
   　在年初召開的全國科技大會上，胡錦濤總書記代表黨中央、國務院向全國人民發出了建設創新型國家的號召👩‍🦯‍➡️，並再次強調了堅持自主創新對於未來中國發展的重要意義。值此關鍵時刻，更需要有一種對當下🛻🏋🏻‍♂️、對未來的清醒認識，需要有全球化的眼光🌕。 　

　　汪先生的這篇文章雖是基於地球科學的若幹基礎研究問題🏸，但相信文中的諸多見解📏、思考，對其他領域的科技工作者，對廣大讀者都會有所啟發。本專刊熱誠歡迎不同領域的專家就本學科專業如何能做出創新性的工作發表各自見解。　　　　　　　　　　　　　　　——編者

   　全球視野是地球系統科學的前提🙆🏽‍♂️。技術發展和資料積累🦟，打開了地球科學家的眼界。尤其形象的是航天技術⛹🏽‍♀️，使得人類能夠從太空看地球，因此有人把地球系統科學比喻為“第二次哥白尼革命”。
   　近十幾年“全球變化”和“大洋鉆探”研究中最大進展之一🧜🏼‍♂️，在於地圈與生物圈相互關系認識的突破，結果是將地學與生命科學的交叉，提高到一個空前的新高度。
    人類生活在地球表層🏛，首先關心和比較了解的都只是表層。但是近年來越來越多的證據表明地球表層看到的現象👨‍🦳，根子在深部；缺了深部，地球系統就無法理解，越是大範圍、長尺度，越是如此。
    　國際學術界早已在探討中國經濟發展對全球環境系統的影響👩🏽‍🏭，比如美國學者提出，中國汽車的普及將會導致大氣中臭氧的增加和太平洋初級生產率的上升👩🏼‍🦳，我國學術界反而無動於衷，是沒有理由的🪈。
    
    　二十世紀末期起，國際學術界正在經歷著一場質的變化：原來分頭描述地球上各種現象的學科🚵🏻‍♀️，正在系統科學的高度相互結合💔，成為揭示機理🆔、服務預測的“地球系統科學”😺🪡。地球科學又一場新的革命性突破正在來臨🧱。正在著手實施中長期科技發展規劃綱要🐏，為建設創新型國家而奮鬥的我國學術界，將如何迎接這場學術挑戰？對此，有必要對國內外地球系統科學的研究作一比較，並在此基礎上對學科發展的走向提出一點管窺之見，就正於同行🛺。
    
與國際學術差距縮小還是擴大了
    　如果我國學術界只以計算論文數量為滿足👁‍🗨，若幹年後將會發現，我國盡管成為更大的數據輸出國，而在學術水平上的國際差距卻拉得更大
    
   　 近年來，“全球變化”🚌、“地球系統科學”已經廣泛列入各種有關的科學研究發展計劃🧝🏼‍♂️，並且廣泛開展，成績卓著；有關地球系統科學的專著論文以及教材，也已經有相當數量。如果幾年前我們曾經為我國地球科學國內論文數量失控、國際論文停滯不前而憂慮，那麽現在真應當刮目相看，我國地學的國際論文數迅速增長👯‍♂️👮‍♂️，國際刊物上中國作者的姓名處處可見🔴。
  　  不過數量上的增加🤱🏽🤸‍♀️，並不等於質量上的提高🤷；以“地球系統科學”為名稱的項目與論文🔥，也不一定意味著進入了新的層次，擺脫了原有的局限性。地球系統科學帶來的種種新概念、新名詞，並不等於科學家接受新思路、悟得新境界🧙🏿‍♀️。為了說明以上擔憂並非空穴來風，不妨將國內與國際的地球系統研究現狀作一對比：
   　 國際討論的許多重大問題，不見於國內。以歐📁、美地球物理學會聯合舉行的萬人大會為例，討論的熱點如“顯生宙的大氣歷史”🍄，“地球與類地行星的巖漿發生與演化”🍞😻，“大氣圈與生物圈的交換：從源到匯的全面探討”🎅🏿，“地幔構造與成分：地球物理與地球化學模型的協調”等等，均屬地球系統科學的範疇🙋🏼‍♀️，卻至今仍是我國不熟悉或者不大熟悉的題目。
    　重大國際計劃的學術總結，往往不見我國參與。一些國際合作計劃👂，在實際觀測和數據采集中我國曾積極參加，大力投入；到這幾年進行學術總結時，我國學者的參與卻大幅度下降🚵‍♀️。我們可以在研究計劃的外圈為產生數據出力，卻進入不了核心在材料“組裝”和理論探討中發揮作用。
   　 與傳統的地球科學相比，地球系統科學從原始數據到科學解釋之間的工序增多💁🏽‍♀️，“原料”的加工變深✅。和國際市場經濟相似，學術界也正發生著兩極分化：許多國家只能輸出“原料”🧙🏼‍♀️，只有另一些國家才能夠進行原料的“深加工”。正當我國學術界熱衷於計算“SCI論文”數量的時候，國際學術界卻在朝向地球系統科學的核心問題發起攻勢。如果安於現狀，只以文章數量為滿足，若幹年後將會發現🧑🏻‍🦰，我國盡管成為更大的數據輸出國𓀅🌞，而在學術水平上的國際差距卻拉得更大🛵。
    　對於國際合作🤾🏻‍♂️，我們的習慣是“重在參與”，往往以“躋身”為目標◻️，至於合作研究最後究竟要解決什麽問題👩🏿‍🏭，其實並不清楚🤸🏻🙂，似乎也不大在乎。結果是開始投入很大，最後總結無份；對於這種先例，我們應當引出教訓➿。在大型的長期國際合作研究中，播種者不等於收成者🩰。關鍵在於我們自己能不能抓住關鍵環節👰🏽‍♂️3️⃣，瞄準核心問題💆🏼‍♀️，避免“為人作嫁”或者“種瓜得豆”。
    
立足本國面向全球
  　  應重新考慮我國地球科學的定位✌🏽，或者從全球問題出發💂🏻‍♂️，用中國材料入手研究；或者從中國問題出發，在全球的高度進行分析
    
    全球視野是地球系統科學的前提。技術發展和資料積累，打開了地球科學家的眼界🧎🏻‍♂️‍➡️。尤其形象的是航天技術，使得人類能夠從太空看地球📅，因此有人把地球系統科學比喻為“第二次哥白尼革命”。十幾年來“全球變化”的研究令人信服地表明👩‍👩‍👧‍👦♌️：當今世界的自然條件都在變化🥡，而這種種變化之間，又有著意想不到的相互聯系。
   　 溫室氣體排放的後果，不僅使大氣的CO2增多、全球變暖🙅🏼‍♀️，而且造成地球表面一系列界面的抬升：海平面抬升，上世紀以來每年平均上升1.5-2.0mm;雪線上升🫚，非洲最高峰的雪線近90年升高數百米🤦；連大氣圈對流層頂的高度也在上升𓀉，二十年來平均上升200m🐖。溫室效應不僅改變海平面，還改變著海水的化學🐎🐙：每年估計有650km3的融冰淡水添進大洋，使得海水變淡🧙🏽‍♂️。溫室效應甚至還可以間接地改變地球重力場：冰消期以來冰蓋消融、地殼反彈，地球扁率長期下降𓀚🧑‍✈️；而近期的冰雪消融使海水質量由南大洋北移，1997年起地球的動態扁率停止下降🐈‍⬛，轉為上升。
  　  溫室效應引起的變化涉及所有圈層👧🏻，全球範圍內無所不在；同時也只有從全球著眼，觀察到的局部變化才可理解。第四紀以來海洋沉積速率加快，我國習慣地歸因為青藏高原的隆升；但是這種加快現象遍及全球⛺️，其實是第四紀冰期大幅度的海面升降，使沿海平原與陸架大量沉積搬運入海的結果🧑🏼‍🏭。無論“厄爾尼諾(El Nino)”還是“新仙女木事件(Younger Dryas)”，起先都認為是局部事件，現在才明白只有在全球系統內方能理解🐘。季風是一種區域現象，但是亞👼🏻、非⛲️、澳三大洲的季風有著內在聯系，加上美洲季風，構成“全球季風”系統，從全球系統出發才能更好理解各個子系統。
  　  現在，無論從我國地球科學的實力和投入看，或者從我國經濟與權益的國際競爭看，都到了走出國門🪄、面向世界的時候。應當重新考慮我國地球科學的定位，不能以“原料輸出”為滿足。應當從地球系統科學出發，改變我們的研究視角💮♦️：或者從全球問題出發🧑🏿‍🏭，用中國材料入手研究；或者從中國問題出發👰🏼‍♀️，在全球的高度進行分析。我國地學的成果在國際舞臺上的體現低於其實力🕴，原因主要還不在語言障礙，而在於視角過低🚍，就事論事有余，“上綱上線”不足🧚🏻‍♂️，難於引起國際興趣。相反🪴，凡能利用本國特色又能針對全球問題的，便容易走上國際接軌之路，黃土高原的古環境研究便是一例🕵🏽‍♂️🧑🏻‍🦲。
    
地球與生命科學交叉形成新高度
   　 原來所說的許多地學過程💍🧏🏻，其實是生物活動的結果；原來探索的生命演化，其實是地學環境變化的產物
    
   　 近十幾年“全球變化”和“大洋鉆探”研究中最大進展之一，在於地圈與生物圈相互關系認識的突破，結果是將地學與生命科學的交叉，提高到一個空前的新高度。國際學術計劃將這種交叉定為新世紀前沿的首選，而在我國似乎還沒有提上日程😔。
   　 地學與生命科學的結合，並不是新命題。地質學創立伊始，就與生物學結下不解之緣➗👲：地質年代便是以生命演化為序的。但傳統的生物地層學是建立在化石形態的肉眼鑒定基礎之上，難免其片斷性和表面性。世紀之交，地球科學向地球深處和地球以外發展🧏‍♂️，生命科學向越益深入的微觀世界進軍，正是在這裏產生了兩者交叉的新層次:地下深處微生物的發現，在分子生物學與生物地球化學的層面上，開拓了全新的研究領域⛓。原來所說的許多地學過程👩🏽‍🔬，其實是生物活動的結果🤽🏻；原來探索的生命演化🕴🏻，其實是地學環境變化的產物；原來分頭研究無從理解的一些現象，地學與生命科學的結合提供了全新的答案🧚🏿。
    　七十年代末“Alvin”號深潛器在東太平洋發現深海熱液活動和熱液生物群👩‍👧，說明地球上不僅有我們所習慣的“有光食物鏈”，還存在著“黑暗食物鏈”。前者依靠外源能量即太陽能，在常溫和有光的環境下，通過光合作用生產有機質；後者依靠地球內源能量即地熱支持，在深海黑暗和高溫的環境下🙏🏻，通過化合作用(chemosynthesis)生產有機質。甚至數千米深海海底下面數百米的深處，還有微生物在地層的極端條件下生存🫳🏻，這種“深部生物圈”雖然都由微小的原核生物組成📨，卻有極大的數量🕠。
   　 “深部生物圈”的發現，大大拓寬了“生物圈”的分布範圍，直到極地冰蓋、火山熱泉和洋底地層，幾乎無所不在🤗。生物的分類，也擴展到古菌🌒🏊‍♀️、細菌與真核生物三大類。地球歷史的85%只有前兩類組成的原核生物，它們從還原到氧化環境都有分布，在地球系統的時空坐標中占據一大片⚒，而我們熟悉的動、植物只是真核生物中的一部分🏊。
   　 從金屬礦到水合物，從火山口到巖溶洞🙆🏽‍♂️，無處不有微生物的活動，許多原來以為“無機”的地質過程👯‍♀️，其實都是生命活動的結果。傳統地質學裏生物的“主角”是大化石🙎🏿‍♀️，其實改造地球的首先是原核生物，它們的生態過程影響著化學元素周期表裏幾乎所有的元素，默默無聲地“耕耘”了四十億年，直到今天才有可能得到重新評價🗾。生命演化史的研究很像社會歷史，引人矚目的恐龍、鱗木固然重要🙍🏿‍♀️，但真的要揭示機理，還非要深入到原核生物不可。全面看來📮，地球生態系統的根本基礎在於原核生物，它們才是“真正的英雄”；而我們熟悉的大型生物其實是生態系的頂層，相當於社會史裏的“帝王將相”✹🏌🏿。尋找地球和生命系統演變的規律，必須深入“基層”，深入到分子生物學和生物地球化學的水平,才能理解地球系統的運作。
   　 如果放眼歷史，從分子和化學的高度🦡，來考察生命演化及其與地圈的關系，“柳暗花明”的感覺更加鮮明。推測生命起源於還原環境下高溫的熱液口，而生命的出現就必然改變地球上的地球化學作用🧑🏻‍🦱，開始了生物圈與地圈協同演化的歷程。生物圈改造著大氣成分😻，而改變了的大氣又要求生物做出響應，因此光合作用演化和固氮作用演化😾，都是地球系統研究的重要內容。生物圈與地圈協同演化如此密切的關系，令學術界驚嘆不已，因而提出了“蓋婭”假說🧑‍🦱，認為地球猶如有機體能夠自我調節，提倡研究“地球生理學”。
    
地球深部與表層系統的結合
   　 地球系統科學決不能局限於表層系統🤏🏻，在長時間尺度上尤其如此🍝。正是在表層與深部的結合上，醞釀著新的突破。
    　
  　  人類生活在地球表層，首先關心和比較了解的都只是表層🧑🏿‍🍳♦︎。但是“由表及裏”是認識的規律，近年來越來越多的證據表明地球表層看到的現象，根子在深部🚴🏿‍♂️🧙🏻‍♀️；缺了深部🕵🏿‍♂️，地球系統就無法理解，越是大範圍、長尺度，越是如此。
  　  水循環和碳循環是貫穿地球表層系統的“紅線”🤱🏽，其實兩者都深入到地球內部。只是在地球深部循環的速度比在表層系統中慢得多👨🏽‍🏭，往往不被註意；而在百萬年以上的長時間尺度裏🍲，地球系統碳循環的主角就是地幔和地殼。造山作用使巖石圈抬升並遭受剝蝕✅，巖石圈主要成分矽酸鹽的化學風化相應加劇👩🏿‍🦲，消耗大氣中的CO2；巖石圈隨板塊俯沖到地幔深處，在高溫高壓下發生變質作用放出CO2，通過火山活動又回到大氣7️⃣。這種巖石圈和大氣間的碳循環周期，長達千萬年以上，但這類深部成因的溫室氣體可以對地球表層系統產生重大的氣候效應。
   　 地球深部的水循環，是近年來研究的熱點🤑。最直觀的是大洋中脊的熱液系統：海水沿著海底的裂隙下滲👐🏿，到四五千米深處與熔巖接觸🛸，升溫到三四百度後重返海底，將深部物質與能量帶到表層，造成特殊的成礦作用和生命系統。在俯沖帶🤘，大洋板塊帶著水下沉到地幔深處。實驗表明𓀌，玄武巖和安山巖的大洋殼可以含1-2%的水🕦，深入到俯沖帶200公裏以下💇🏼‍♂️。地質歷史上帶入地幔的水,可能相當於現在大洋海水總量的四分之一。縱觀地球史，最早形成地球的物質中有2%的重量是水，而今天表層系統中的水只占地球重量的0.02%,除去逸失者外，其余應當留在地球的深部。據估計🔕💁🏼‍♂️，下地幔中儲存的水就相當於全大洋總量的五十倍之多。如此說不謬，我們對整個地球“水圈”的認識🈹，還差一兩個數量級🛜！
  　  占地球半徑一半以上的地幔，是地球本身最大的圈層🩷。三維空間裏的地幔環流，雖然速度緩慢，卻是在長時間尺度上地球系統變化的決定因素。板塊“飄移”，無非是地幔環流的表層現象🧘🏽‍♀️；板塊俯沖，也只是環流中的一段。由於地幔環流的緩慢性質，對表層系統的影響動輒會有數百、數千萬年的遲到效應，比如俯沖下去的板塊並不迅速消失▪️，還會在長時期裏影響地面的構造運動⭕️。岡瓦納大陸早已瓦解消散，而當年岡瓦納——太平洋邊緣俯沖下去的板塊，白堊紀時處於澳大利亞的下方，造成當時澳洲大陸的升降與全球趨勢相反；而早年處於岡瓦納大陸中心的南非一帶🦸🏼‍♂️⚱️，至今還處在隆升狀態💌。已經從地球表面消失的板塊“陰魂不散”，通過重力場仍然影響著現代升降運動，這是應用高分辨率地震層析成像技術後的發現，也是大陸動力學研究的重點之一🫷🏼。
  　  即便是離我們最遠的地核😶，也通過地磁場影響著地球表層。現在的地核分固態的內核與液態的外核兩部分🫶🏿，外核內的對流正是產生地磁場的原因，即所謂“地核發電機（Geodynamo）”。迄今為止，人類只能通過地球物理的手段結合試驗模擬來認識地核👕，知道無論外核內部，或是核幔界面和內外核界面，都存在著物質對流，內核還以每年一毫米的速度在增大；地核引起的地磁場強度，也不斷地發生變化。由於地磁場是太陽風和低頻宇宙射線的屏障，因而地核的變化對於空間氣候有著重要影響。對地球表層環境至關重要的，是萬年至百萬年尺度上的磁極倒轉和漂移。近來已經證明地磁場在轉換期間減弱,如果失去地磁場對宇宙射線的屏蔽，就有可能造成生物的絕滅👨‍👦。但是迄今為止無論是磁極轉換的原因，還是轉換的環境後果，依然屬於學術上的“懸案”。地球深部的研究，比表層更為困難🖼。
  　  總之，地球系統科學決不能局限於表層系統🧜🏽‍♀️，在長時間尺度上尤其如此🖐🏻。正是在表層與深部的結合上🚴🏻‍♀️，醞釀著新的突破👨‍👨‍👦‍👦。除深部之外🙎‍♂️，地球低層大氣之外的日地空間也有類似的情況👴🏻。原先不在視域之內的磁層、電離層和中高層大氣，隨著人類社會空間與通信技術的發展都變得與我們休戚相關♗，已經成為地球系統中不容忽略的部分😢。
    
針對系統科學的系統措施
   　 要瞄準地球系統科學的核心問題，開展追蹤過程🧘🏽‍♀️、探索機理的研究🏄🏿‍♂️。地球科學作為社會可持續發展的理論基礎🪦，在國家需求上具有充分的驅動力
    
 　   地球科學在19世紀的革命性突破在於進化論🧕，20世紀在於板塊理論，中國對於上兩個世紀的地學革命愧無貢獻👩‍🔬，那是由於歷史的原因；地球系統科學將是新世紀地學革命的突破口，如果中國還無貢獻，那就只能是我們主觀的原因‼️，地學界同仁難辭其咎。現在，以地球系統科學作為方向已經取得共識；而作為一門系統科學的發展🧚🏻‍♂️，還要求有系統的措施。根據上面的討論👨🏻‍🦱，至少可以提出以下三點建議👨🏻‍🎤：
  　  首先，隨著經濟的發展和進入國際大循環，要求我們立足本國，面向全球👩‍⚖️，重新考慮我國地球科學的國際定位✦。無論從地球系統科學的性質，或者從我國的國際競爭的需求出發🪿，我國地球科學研究都應當改變只限於國內的習慣🔢；而從當前我國地球科學的實力和投入看👨‍👨‍👧‍👧，也已經是走向全球的時候。
　　 國際學術界早已在探討中國經濟發展對全球環境系統的影響👨‍👩‍👧‍👦，比如美國學者提出，中國汽車的普及將會導致大氣中臭氧的增加和太平洋初級生產率的上升🙆🏼‍♀️🥷🏽，我國學術界反而無動於衷，是沒有理由的。  

　　不僅宏觀環境的研究必須面向全球，連資源和能源也已經走向國際。以石油為例🪡，我國已經有2/5的原油來自國外👨🏽‍🎨，已經到十多個國家勘探開發❎，面臨著“全球戰略”和建立“全球供應體系”，閉關自守式的地球科學已經不再適應🏬。
   　 地球系統本來不以國土為界，雖然應用科學有明確的國土界限，海洋的應用也以近岸淺海更為直接，但基礎研究決不應以此為界。我們既要搞清“家門口”，也要“走出去”👷‍♀️，“走出去”才能更好搞清“家門口”。建議有一小部分精幹力量“沖出亞洲🕺🏻，走向世界”♢，直接進入國際競爭⚉；同時通過國內的輻射效應💕，推動整個地球科學擴大眼界𓀄，面向全球。以期在國內研究項目中有全球意識🧑‍💻，在參加國際合作時也有自己的本國目標。
   　 中國要進入地球系統科學的核心研究圈，而不只是追隨國外走向，就必須分析我國獨特的自然條件👧🏽，根據實際的研究力量和科學積累🧒🏿💅🏿，選擇有突破前景的重大課題，通過記錄、模型與觀測三結合，實現既有本國特色又與國際接軌的全國和長期性的大型研究計劃。
   　 一個突出的例子便是“中國宏觀自然環境格局及其演變趨勢”，可以將青藏高原、季風氣候🚕、邊緣海盆等一系列環境特色的內在聯系、形成機理與演變方向，進行系統研究✵，而不只是分別參與國際合作；一旦實現🧸，必將在基礎理論和實際應用兩方面取得突破性成果。另一個例子是前新生代的全球變化，國外主要依靠穩定同位素分析推測大氣與海水的演化,而我國具有澄江、熱河等化石群特殊保存條件的優勢🕦，應當通過古生物寶庫與地層的地球化學分析相結合🧑🏼‍🚀，探索古代“冰室期”與“暖室期”轉換以及生命演化等重大問題，力爭有重大突破。
 　   同時，還應當全力推進地學和生命科學在分子水平上的結合。“深部生物圈”🫲🏻、“黑暗食物鏈”和“微型生物環”等一系列發現，大幅度擴展了地球上“生物圈”的範圍；分子生物學🧙‍♀️、微生物生態學和生物地球化學的進展，創造了地球與生命科學在分子水平和化學層面上結合的新方向。我國應采取強有力的措施，組織微生物學🤷🏽、有機地球化學等方面的力量，在地微生物學、演化基因組學等方面參加國際新前沿的研究。鑒於目前該交叉領域在國際尚屬起步階段🤲，我國應當不失時機、及早部署，建議一方面促進兩大學科的聯合交流、討論，另方面建立相應的新型實驗室和研究機構🧞‍♀️，並及早招募力量🤏🏼、著手籌建🍩。
   　 總而言之，要瞄準地球系統科學的核心問題，開展追蹤過程、探索機理的研究😍。進入新世紀的中國，正處在經濟與社會大發展🧑🏿‍🔬，數百年不遇的大好時機👨🏼‍🏫👰🏽‍♂️。地球科學作為社會可持續發展的理論基礎📉🧑🏻‍✈️，在國家需求上具有充分的驅動力。相信在地球系統科學的征途上，中國的學術界將在國內迎來新的春天，在國際地學研究領域做出新的貢獻⚠️。
    
作者簡介
   　 汪品先（1936-）🧔🏿‍♀️，男，江蘇蘇州人。莫斯科大學地質系畢業。恒达平台教授，中國科學院院士😵‍💫、第三世界科學院院士🧎‍♀️‍➡️💇🏼‍♂️。曾任國際海洋研究科學委員會(SCOR)副主席、中國海洋研究委員會主席等職。
  　  從事古海洋學和微體古生物學研究🙎‍♂️，在國內外發表論文百余篇、專著及論文集十余種，曾獲國家教委科技一等獎（1985）、國家自然科學四等獎（1987）、二等獎（2000）、中國科學院自然科學一等獎（1998）以及何梁何利科技進步獎。
   　 近年來👳🏿，主持國家重點基礎研究發展規劃項目和國際自然科學基金重大項目等多項課題👳🏻‍♂️，尤其提出在南海追溯東亞古季風史的建議書獲得1997年全球排名第一♉️，被國際大洋鉆探計劃采納為ODP第184航次，並由他作為首席科學家於1999年初成功主持了中國海區首次的深海科學鉆探👱🏻‍♂️。