人类世的标志之一是地球系统周期与人类活动的耦合。

要想了解推动我们进入人类世的动力，我们就必须探索那些历史路径，它们使地球系统的某些参数对人类社会的依赖性日益增加。人类世的标志之一是地球系统周期与人类活动的耦合。这种耦合使这些周期越来越依赖于人类干预和管理，因而也更加依赖于人类的知识，尤其是科学知识。

考虑一下氮的生物地球化学循环，它对地球上的生命至关重要，并被现代的工业化农业和其他干预措施深刻地改变着。通过种植豆科植物，燃烧化石燃料，尤其是借助所谓的哈伯—博施法生产化肥，全球活性氮产量已经翻了一番。哈伯—博施法的命名是为了表彰弗里茨·哈伯和卡尔·博施的工作在氨合成的基础性科学和技术见解方面的贡献。

农业，特别是化肥的作用，最终成为化学研究的一个挑战性对象。这项研究的先驱之一是生于1803年的尤斯图斯·冯·李比希。他创建了一所影响了几代化学家的学校，深深影响了化学领域的教育。只有补充因收割农作物而被去除的矿物营养，才能保持农田的肥力。他还提出了“最小因子定律”，该定律表明，当耕地中的某种特定元素或化合物数量有限时，添加其他矿物质对该土地上的农作物生长没有影响。但李比希并没有想到氨也可以发挥这种关键的限制作用——他认为氨只能促进植物对其他营养物质的吸收。

李比希还引入了元素循环概念。他特别分析了氮循环，从而确定了重要的化学和生物化学问题。事实证明，空气中的氮是惰性的，当氮被植物吸收时，就会出现另一种化学形式。换句话说，大气中的氮(N2)被转化为一种尚不清楚的形式，通过降水进入土壤。在那里，它被植物吸收。这些氮随后通过未知机制重新以N2的形式进入大气。尽管李比希正确地声称氨以某种方式参与了氮循环，但他低估了其重要性。在人们最终了解到NH3的关键作用之前，还需要进行进一步研究。

氮循环提出了关于固氮，特别是关于氨合成的基本问题：自然界能够做到而化学尚无法模拟出的氮转化机制究竟是哪些呢？人们最终才弄清楚，原来农作物需要固定氮，即需要使氮气的两个氮原子之间的三键断裂并使氮原子与其他元素结合，氨(NH3)和智利硝石(NaNO3)均是如此。事实证明，细菌负责将土壤中的固定氮转化回双原子N2。有了这些见解，完整的氮循环就可以理解了。

特别值得一提的是，在技术上实施由哈伯证明了原理的氨合成，其关键取决于（用以提高反应速率的）催化剂的识别和经济可行性。由于人们对催化剂在化学反应中的确切作用了解有限，因此无法事先保证能够真正找到一种合适且价格合理的物质。为找到合适的催化剂，德国巴登苯胺苏打厂(BASF)在工业上做出了很大努力，进行了一项测试数千种化合物的庞大实验项目。

即使在技术上和工业上都成功实施了“哈伯—博施法”，即高压下合成氨的工艺，其经济影响以及在为日益增长的世界人口提供人造肥料中的作用仍是不确定的。但是，哈伯—博施法迅速成了全球氮循环的人为驱动因素，这一点很大程度上是由于外部事件的推动，即第一次世界大战的爆发，它在进入人类世的道路上留下了自己的印记。

一战爆发时，氮市场陷入一片混乱。同盟国突然无法继续获得南美的氮源，它们的唯一选择是提高工业能力。德国建立了巨大的氨生产设施。氨合成被推到了工业的最前沿，用来生产马克斯·冯·劳厄所说的“来自大气的面包”以及军用炸药的组成部分。德国很快从氮进口国变成净出口国。哈伯的传记作者玛吉特·佐洛西—扬泽这样描述德国氮工业的尴尬处境——“输掉了战争，但取得了进展”(Losingthewarbutgainingground)。

考虑到哈伯—博施法的工业实施所需的能源，整个农业系统从一个主要在植物中积累太阳能的系统转变为一个使用化石能源的子系统。世界各地过度施肥的农田再也无法吸收更多的硝酸盐补剂。沿海地区、海洋和湖泊出现富营养化（溶解的营养物质使水体富集，导致藻类大量生长和含氧量低），没有动物生命的区域越来越多。发电厂和汽车进一步排放了大量的氨。处理人为改变氮循环的环境后果需要政治和经济措施来解决这些非故意的后果，这些措施必须依靠进一步的科学知识。

氨的案例表明，创造科学知识可能对地球系统以及更大的物质和认知经济产生不可逆转的后果。如果我们将基因工程的可能性纳入我们对工业化农业的讨论中，那么这种变化的戏剧性后果可能会更加明显。在播种和收获这个古老的循环中，所涉及的知识曾经是公开的。但随着种子成为基因工程的产物，农业生产越来越依赖于市场经济下的私有化知识。农民失去了自己植物的种子，并越来越多地被迫从种子供应商那里购买种子，而这些供应商是一个日益集中产业的一部分。转基因作物将解决贫困、饥饿和气候变化问题的希望迄今尚未实现，更不用说新技术对可持续知识经济的意外后果。

其他一些更引人注目的例子表明，我们需要通过利用新科学知识的政治干预来迅速应对非故意的后果。其中一个例子是科学史学家分析过的大加速时期的一个事件：大气中的臭氧空洞。臭氧空洞是工业发展，尤其是广泛使用氯氟烃的意外结果。如果化学工业开发的是有机溴化合物而不是氟氯烃，或者，如果氯的化学性质更像溴，那么我们就会在没有任何准备的情况下，在1970年代面临灾难性的臭氧空洞，到处都是而且在任何季节都发生，很可能在大气化学家发展出必要的知识以识别问题、开发出适当的技术来采取必要的关键措施之前。鉴于在1974年之前没有人考虑过氯或溴的释放对大气的影响，我只能得出一个结论，人类非常幸运。

青霉素可以用于治疗受伤士兵的前景推动了进一步的研究，并最终使其在美国大规模生产。美国政府机构和美国陆军检查来自世界各地的土壤样本，并将新知识和新技术转让给制药行业，通过这种方式为青霉素的生产提供便利。它们的主要目的是为美军提供足够的供给——这一目标到1944年就已达成。战后，青霉素在美国实现了商业化供应。青霉素从根本上改变了医学，被认为是对抗常见细菌感染的神奇疗法。

抗生素起源于土壤，其生态环境与现在使用抗生素防治疾病的环境完全不同。过去，人体细菌没有机会发展对抗生素的耐药性机制。现在它们有了，因为抗生素在工业化生产和销售的环境中无处不在。短短几十年内，在自然土壤中很少见的抗生素，其工业产量已达每年数千吨，这对生物圈和人类健康的全球状况产生了巨大影响。正如兰德克所指出的：“我们的共生体、我们的病原体、我们的寄生虫、我们的家畜和鱼类及其共生体、我们的寄生虫的病原体、我们城市的鸟类食腐动物和野生动物——现在都在参与一种抗生素生态。”根据世界卫生组织2014年的一份新闻稿，“这一严重威胁不再是对未来的预测，它正在世界的各个角落发生，并有可能影响到任何国家和任何年龄层次的人。抗生素耐药性——细菌发生变化，因此那些受细菌感染的人的抗生素治疗不再有效——现已成为一个对公共健康的主要威胁”。

应对人类世挑战，需要新的分析形式、新的概念框架和新的研究工具。我们需要的是在一个受技术、应用科学、政治和经济利益强烈影响的领域进行的基础研究。此类研究必须克服自然科学、社会科学和人文科学之间的传统界限。我们可以把这一研究领域——地球系统视角下人类与地球之间的相互作用——称为“地球人类学”(geoanthropology)。

地球人类学应该研究使我们进入人类世的各种机制、动态和途径。它应该以综合方式应对自然、社会技术和符号化环境的共同演化，并研究危及人类文明和大部分非人类生命的关键交界处和临界点。它应该研究能源系统、材料和信息的全球流动、农业和土地利用系统、工业化学和全球运输系统等关键系统如何相互影响，这些又如何与陆地和海洋生态系统、地球生物化学循环、水文循环、跨时空的能量存储和转移循环等自然领域发生相互作用。它也应该研究知识在连接所有这些过程中所起到的作用。

对这些问题的调查必须从一种新的、整合的方法开始，在人类—地球系统的研究过程中汇集三个维度：资源维度（劳动力、能源、材料）、调控维度（经济、政治、法律、知识、信念系统、自动化、人工智能），以及生态和演化维度（生物多样性、生态挑战、社会技术的和符号化的环境）。对人地相互作用进行刻画需要考虑所有这些维度及其相互作用。但是，这一方法的新颖之处不仅在于三个维度的结合，还在于其中每个维度都扩大了更传统观点的范围。例如，不再将分析局限于经济与生态之间众所周知的紧张关系，而是将它们的关系更广泛地理解为不同调控系统、其资源和环境之间的相互作用。调控必须被广泛地理解为不仅包括经济、政治和法律，还包括知识和信念系统，以及在自动化和数字化不断发展和人工智能兴起的背景下产生的新调控功能。同样，生态学必须包括对自然环境和人为环境的理解，包括濒危生物多样性的作用，以及文化和自然系统的长期共同演化。