編譯魏明

你見過翅膀長達(dá)1米的蜻蜓嗎?你知道身長1米的蝎子和蜈蚣嗎?你聽說過腿長達(dá)50厘米的蜘蛛嗎?肯定沒有。不過，這些巨大的蟲子在3億年前的地球上的確存在過。你自然要問：那時(shí)怎么會(huì)有體形如此龐大的昆蟲呢?

巨蟲的時(shí)代

如果此刻你正置身于3億年前的石炭紀(jì)的原始叢林中，或許翅膀長達(dá)1米的蜻蜓正在你的頭上四處翻飛，地上還有身長5米的巨型兩棲爬行動(dòng)物正從你身邊緩緩爬過。同時(shí)，你還得小心提防腳下，那兒還有身長1米的大蝎子和千足蟲正準(zhǔn)備偷襲你!

的確，石炭紀(jì)是一個(gè)“巨人時(shí)代”，在高大的石松樹冠下面，從蠑螈大小到5米長度的兩棲動(dòng)物比比皆是，其中一種動(dòng)物在現(xiàn)代英國的霍維克地區(qū)留下了自己的足印化石。石炭紀(jì)的千足蟲和蝎子體長可達(dá)1米以上，有一種蜘蛛的腿長也達(dá)50厘米。

而最著名的樣本，是1979年在英國德比郡采礦場地下挖出的一具巨型蜻蜒化石。它的翼展竟然超過78厘米，也就是和鷹差不多，或者說是現(xiàn)代最大蜻蜓翼展的5倍以上。與此相似的巨型昆蟲也在法國、俄羅斯和美國被發(fā)現(xiàn)，并且它們都來自石炭紀(jì)。

石炭紀(jì)為什么會(huì)進(jìn)化出如此巨大的動(dòng)物呢?有一種觀點(diǎn)認(rèn)為：富含氧氣的空氣可能促進(jìn)了這些巨型動(dòng)物的進(jìn)化。

據(jù)說石炭紀(jì)時(shí)代空氣中的含氧量比現(xiàn)在要高出一倍，這可能會(huì)令你感到頭暈?？茖W(xué)家們現(xiàn)在普遍相信，貫穿整個(gè)地質(zhì)歷史，大氣中的氧氣含量一直在劇烈地波動(dòng)，正是這一點(diǎn)促使了這些巨型動(dòng)物逐漸演化，直至滅亡。

真的是富含氧氣的環(huán)境造就了石炭紀(jì)體型巨大的動(dòng)物嗎寧回答這個(gè)問題非常重要，因?yàn)檠芯可诟吆趿康拇髿庵械姆磻?yīng)，不僅可以讓我們了解過去曾經(jīng)發(fā)生的事，而且還可以幫助我們預(yù)測未來，警告我們提防全球變暖所帶來的潛在惡果。例如，古代大氣中氧氣含量如此之高，某些生物的體型變得無比龐大，而它們的壽命卻沒有延長，甚至還過早地死亡。

埋藏的秘密

為了回答上述問題，我們首先需要知道，石炭紀(jì)為什么會(huì)有那么多的氧?科學(xué)家對此一直爭論不休。

實(shí)際上，今天所有構(gòu)成大氣的元素都是光合作用的副產(chǎn)品。利用從陽光中得到的能量，植物和綠藻把水和二氧化碳轉(zhuǎn)換成碳水化合物和其他有機(jī)碳化合物，并在這一過程中釋放出氧氣。而動(dòng)物的呼吸剛好相反，將氧氣和碳水化合物轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水。這兩個(gè)過程配合得如此天衣無縫，即便是在青蔥的亞馬孫熱帶雨林，空氣中也不會(huì)有多余的氧，因?yàn)橹参镏圃斐鰜淼难鯕庖呀?jīng)被數(shù)量同樣龐大的動(dòng)物給消耗掉了。同樣的情形也發(fā)生在海洋中。

要想讓大氣的含氧量增加，只有一條途徑，就是有機(jī)碳的埋藏范圍要大于靠呼吸空氣存活的生物所生存的范圍。因此，假如我們想要了解3億年前空氣中究竟會(huì)有多少氧，就需要知道在地下埋藏了多少有機(jī)碳。

不幸的是，我們沒有辦法進(jìn)行樣本測試，因?yàn)榻^大多數(shù)的有機(jī)碳都是以微小顆粒的形式深埋在像頁巖和石灰石這樣的沉積巖中。經(jīng)過漫長的歲月，大多數(shù)的沉積巖已經(jīng)被腐蝕、損毀。我們該從何人手呢?

這些困難沒有難倒美國耶魯大學(xué)的羅伯特·勃勒。早在17年前，他就分析過藏在琥珀中的微小氣泡，并且得出了古代大氣中氧含量比現(xiàn)在多一半的結(jié)論，從而在科學(xué)界引發(fā)了一場有關(guān)氧氣的辯論。然而，后來的研究表明，琥珀并非如羅伯特所希望的那樣是一個(gè)密閉的“時(shí)間容器”?，F(xiàn)在，為了了解石炭紀(jì)空氣中的含氧量，羅伯特決定借助于生物體對碳的奇特的好惡。

碳原子有兩種穩(wěn)定的同位素形式——碳12和碳－13。較之碳－13，進(jìn)行光合作用的生物更偏愛質(zhì)量較輕的碳－12，結(jié)果有機(jī)物里充斥了大量的碳－12。碳12分裂時(shí)將碳－13釋放出來遺留在外界的過程，正是海洋中的有機(jī)物逐漸沉積、形成像石灰石一樣的沉積巖的過程。

羅伯特意識(shí)到，他能夠追蹤沉積在古海洋底部石灰石里的碳－13。如果這種碳－13的含量的確比現(xiàn)在高出許多的話，也就意味著當(dāng)時(shí)有機(jī)物的沉積量也比現(xiàn)在高出許多，由此還可以估計(jì)出當(dāng)時(shí)空氣中氧的含量。

羅伯特最終得出了驚人的結(jié)論：在整個(gè)石炭紀(jì)，空氣中氧的含量高達(dá)35％；而在1億年前的白堊紀(jì)，氧的含量降到了25％；到了今天，這一數(shù)字更是降到了21％以下。

遠(yuǎn)古的野火

羅伯特的結(jié)論似乎證明了石炭紀(jì)空氣中的含氧量的確比現(xiàn)在高出許多。然而，羅伯特迂回輾轉(zhuǎn)得到的這一結(jié)論卻遭到了一些科學(xué)家的駁斥。他們指責(zé)羅伯特忽視了一個(gè)重要的因素：地球的生物圈。他們認(rèn)為，由于生物圈的作用，大氣中氧氣含量的增加被有效地加以遏制，使其最多只能達(dá)到28％，而不可能更高。

生物圈如何能做到這一點(diǎn)呢?反駁者認(rèn)為起關(guān)鍵作用的是火。他們說，在一個(gè)富含氧氣的大氣層下，火可以燃燒得異常猛烈，從而能夠在短時(shí)間里燒掉“多余”的氧。

對于這種觀點(diǎn)，羅伯特認(rèn)為有缺陷。在他看來，大火的作用不是將樹木和其他植物全部都燒成了灰燼，而是產(chǎn)生了極為大量的干餾木炭。也就是說，大火也許燃燒得很快，但木炭及其中包含的有機(jī)碳化合物不會(huì)再進(jìn)一步分解，就連微生物也拿它無可奈何。

因此，與其他任何形式的有機(jī)物相比，干熘木炭更容易被完整地埋入地下，而石炭紀(jì)野火實(shí)際上只會(huì)加快有機(jī)物埋入地下的速度。羅伯特由此做出結(jié)論說，看似怪異、實(shí)際卻合理的是，野火越多，產(chǎn)生的氧氣也越多。

假如石炭紀(jì)真的發(fā)生過如此多的野火，就應(yīng)該留下豐富的化石，因?yàn)閯?dòng)植物也會(huì)被迫順應(yīng)這些新的變化——不光是野火，而且還有大氣中不斷增加的氧氣含量。找到證據(jù)了嗎?

迄今為止的發(fā)現(xiàn)是令人鼓舞的。澳大利亞古代野火專家詹妮弗·羅賓遜在過去幾十年中一直致力于研究石炭紀(jì)澤沼中的植物是如何適應(yīng)野火的。這些植物中最著名的是巨大的石松，也被稱為“鱗片樹”。這種樹的樹皮呈磷片狀，很好看，樹高在50米以上。看來，石松應(yīng)該能顯示出適應(yīng)野火的一些跡象，詹妮弗也找到了石炭紀(jì)曾經(jīng)發(fā)生過多次野火的確鑿證據(jù)。在來自這一時(shí)期的一些煤炭中，包含著多達(dá)30％的化石木炭，這就意味著盡管當(dāng)時(shí)周圍的環(huán)境很潮濕，野火卻很常見。石炭紀(jì)木炭所具有的物理學(xué)特性(比如反射率)暗示，這種木炭是在極度高溫下形成的，而這種高溫是野火燃燒時(shí)富含氧的明顯跡象。

長得更大

石炭紀(jì)的空氣中富含氧氣，那么當(dāng)時(shí)的動(dòng)物又如何適應(yīng)這樣的環(huán)境呢?

根據(jù)保存狀況并不好的巨型蜻蜒化石可以看出，石炭紀(jì)巨型蜻蜒的翅膀結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代蜻蜒相比要簡單一些。石炭紀(jì)巨型蜻蜓的體型這么大，結(jié)構(gòu)卻又這么簡單，這讓一些科學(xué)家認(rèn)為它們只能夠在富含更密集的氧氣的空氣中才飛得起來。

但也有人不這么看。他們認(rèn)為，石炭紀(jì)的巨型昆蟲之所以能夠長得如此之大，僅僅是因?yàn)樗鼈兊墨C物身材也比較大。還有人相信其他一些因素也在起作用，比如缺乏掠食者，或者生命周期及氣候(比如氣溫)的改變。

也就是說，在其中起作用的絕不僅僅是大氣中較高的氧氣含量。

此外，一些地質(zhì)化學(xué)家還指出，從數(shù)量上看也不大對勁。呼吸時(shí)，蜻蜒通過密布體內(nèi)的細(xì)小氣管來吸收氧氣。但即使是大氣中的氧氣含量達(dá)到35％，蜻蜒的氣管長度也只需要增加大約67％。也就是說，蜻蜒的體長相應(yīng)地只需增加1倍。而實(shí)際情況是，石炭紀(jì)巨型蜻蜒的體長竟然達(dá)到了其現(xiàn)代表親的5倍。這究竟是怎么一回事呢寧?

美國得克薩斯州大學(xué)的昆蟲生理學(xué)家羅伯特·達(dá)利相信自己已經(jīng)找到了答案。他說，大氣中的氧含量變高并不意味著生物的體型就必然相應(yīng)變大，而只是提高昆蟲能夠達(dá)到的體型最大值。衡量體形大小，最重要的因素不是翼展，而是昆蟲胸腔中飛行肌肉的大小。達(dá)利指出，即便是在古代巨型蜻蜒體內(nèi)，飛行肌肉的寬度也不過2.8厘米，而現(xiàn)代蜻蜒的這一寬度是1厘米。

飛得更好

于是，人們又提出了一個(gè)問題：蜻蜒對大氣中氧氣含量的高低究竟是否敏感?換一種問法：大氣中氧氣含量高是否可以使蜻蜒飛得更好?

由于巨型蜻蜓早在2.5億年前就已消失，因此我們永遠(yuǎn)也不可能知道確切答案。不過，巨型蜻蜓的現(xiàn)代表親對空氣中的氧氣含量十分敏感?？茖W(xué)家測量了昆蟲在飛行時(shí)的呼吸頻率，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)昆蟲的呼吸速率不會(huì)因大氣中氧氣含量的改變而受影響，而蜻蜓卻在氧氣含量增加的情況下的確飛得更快、更高。

蜻蜒依賴一種效率不高的方式來吸收氧氣，這種方式就是猛烈地拍打翅膀以產(chǎn)生氣流。在飛行時(shí)，如果蜻蜓無法獲得足夠的氧氣，就會(huì)降低它們的飛行能力。由此可以推測，如果大氣中的氧氣含量高，蜻蜒就能夠既飛得好，同時(shí)體型又變大。大體型能給蜻蜓一種競爭優(yōu)勢，于是它們就在石炭紀(jì)富含氧氣的環(huán)境中長大、長壯了。

達(dá)利相信，石炭紀(jì)的濃密大氣或許正是生物能夠飛起來的最初動(dòng)力?？脊抛C據(jù)與此相符。最早的飛行昆蟲正是在石炭紀(jì)早期進(jìn)化出來的，而這時(shí)也正是大氣中氧氣含量上升的時(shí)期。鳥類和蝙蝠是在大約1億年前的白堊紀(jì)出現(xiàn)的，而白堊紀(jì)也是空氣中氧氣含量很高的時(shí)期之一。

新的證據(jù)

當(dāng)今世界也有證據(jù)表明，環(huán)境中的氧氣含量如果變高，就會(huì)導(dǎo)致生物體型變得較大。達(dá)利進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他在壓力略大、氧含量略高的空氣中喂養(yǎng)果蠅。盡管現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)仍處在初期階段，但僅僅過了5代之后，果蠅的體重就明顯增加了——第5代果蠅的平均體重比第一代高15％；同樣，果蠅的體型也增大了。達(dá)利特別指出，體型和體重的增加是在空氣中氧氣含量略為增加的情況下出現(xiàn)的。反之，如果一次性地把氧氣含量提高到35％，果蠅的體型卻不會(huì)發(fā)生改變。達(dá)利還不清楚這一改變是在果蠅的胚胎階段、幼蟲階段還是成蟲階段發(fā)生的，同樣也不知道體型改變是否與果蠅密度等其他因素有關(guān)。目前，這一實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行當(dāng)中。

體型隨著食物中氧含量的增加而變大的生物，像果蠅那樣存在于實(shí)驗(yàn)室中，也存在于外部環(huán)境中。比如。氧氣含量會(huì)隨著溫度和水中的含鹽量的變化而變化。寒冷的淡水湖中的氧氣含量是熱帶海洋中的兩倍以上?，F(xiàn)在科學(xué)家正在研究不同的氧氣含量是否會(huì)影響水生生物的體型大小。研究重點(diǎn)是一些被稱為端足類動(dòng)物的甲殼動(dòng)物，其外形有點(diǎn)像蝦。端足類動(dòng)物是許多魚類的食物，這些魚類又是海豹的食物。在諸如西伯利亞貝加爾湖的寒冷淡水湖中，端足類動(dòng)物的體長是同溫下鹽水中近親的2倍，是熱帶水域中表親的5倍。科學(xué)家經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，水中的氧氣含量在體長的變化中起了98％的作用。

期待與憂思

人們都在迫不及待地期盼著達(dá)利和其他科學(xué)家的研究成果，因?yàn)檫@或許能告訴人們?nèi)绾尾拍苎泳徦ダ系倪M(jìn)程。要是這一延緩能夠在人類自身上出現(xiàn)，其意義是不言而喻的。同大多數(shù)其他動(dòng)物一樣，太多的氧對人并不好。在一般的新陳代謝過程中，會(huì)持續(xù)產(chǎn)生氧自由基，這種物質(zhì)被認(rèn)為是導(dǎo)致人體衰老的主要原因。而更多的氧意味著更快的新陳代謝速度，也就意味著更多來自自由基的傷害。為了對付更高的氧氣含量，果蠅有效地延緩了它們自身的衰老，其方式就是讓自己的體型變得更大，同時(shí)讓身體盡量變得更健康。

但是，上述研究結(jié)果卻引起了人們極大的憂慮。如果僅僅因?yàn)榇髿庵械难鯕夂扛?，就能產(chǎn)生體型巨大的昆蟲和野獸，那么一旦氧氣含量下降，這些生物也勢必會(huì)受到極大的傷害。如果全球持續(xù)變暖，水溫繼續(xù)上升，大型端足類動(dòng)物將最先滅絕，繼而以它們?yōu)槭车聂~類也會(huì)滅絕，而以魚類為食的海豹將隨之消亡，接下來還有哪些生物會(huì)消失?簡直令人不敢想象。因此，查明3億年前巨型蜻蜒的出現(xiàn)和其最終消亡的原因，就顯得極為重要。