撰文｜樂閑

火和巨型生物的領(lǐng)地石炭紀(jì)

撰文｜樂閑

大約5.3億年前，多細(xì)胞動(dòng)物幾乎同時(shí)突然出現(xiàn)在海洋中，新的物種出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)，從那時(shí)起，大氣中的氧氣含量也繼續(xù)以飛快的速度上升，并為生物進(jìn)化創(chuàng)造了條件。在距今4億年的志留紀(jì)晚期，植物終于從水中開始向陸地發(fā)展，陸生植物中的裸蕨植物首次出現(xiàn)；緊隨其后的是魚類開始了征服陸地的征程，慢慢地不再依賴水環(huán)境生存。隨著氧氣濃度的上升，新的生態(tài)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，范圍也日漸擴(kuò)大，最終形成了茂盛而潮濕的森林，就這樣，地球歷史上一個(gè)最不同尋常的時(shí)期開始了：石炭紀(jì)。

石炭紀(jì)，是晚古生代的第二個(gè)紀(jì)，開始時(shí)間距今3.54億年前，結(jié)束于距今2.95億年。由于這一時(shí)期形成的地層中含有豐富的煤炭，因而得名“石炭紀(jì)”。

樹木遺骸是怎樣成為煤炭的？

石炭紀(jì)時(shí)期潮濕的森林已經(jīng)在以驚人的速度儲(chǔ)存最早的碳層了，這個(gè)過程持續(xù)了數(shù)百萬(wàn)年。事實(shí)上，全世界90%的煤層都源于這個(gè)時(shí)期。煤炭是由樹木的殘骸形成的，現(xiàn)在，全世界都在開采那些古老的森林，而在過去，它們?cè)鵀榈厍蛏夏承┳钫湎〉纳锾峁蛹覉@。

在石炭紀(jì)，植物種類繁多，生長(zhǎng)迅速，它們死后即便有一部分很快腐爛，但其殘?bào)w還是會(huì)在地面上不斷地堆積。由于當(dāng)時(shí)森林的不少林地是被水浸泡著的沼澤地，死亡后的植物殘?bào)w會(huì)很快下沉到稀泥中，形成封閉的還原環(huán)境，在這種環(huán)境中植物枝干避免了外界的破壞，抑或是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的細(xì)菌還沒有進(jìn)化出消化木質(zhì)粗纖維（木質(zhì)素）的能力，掩埋在地底下的植物殘?bào)w中的物質(zhì)沒有完全分解，形成的大量泥炭在地層中得到很好的保存，經(jīng)過年復(fù)一年的壓實(shí)作用，形成了煤炭。

因?yàn)槊禾渴怯蓻]有腐爛的植物殘?bào)w形成的，因而這部分植物殘?bào)w并沒有完全進(jìn)入再循環(huán)過程，所以，碳和氧之間的循環(huán)就出現(xiàn)了不平衡。眾所周知，樹木通過光合作用吸收二氧化碳，同時(shí)排放出氧氣，相反，植物腐爛會(huì)吸收氧氣，釋放二氧化碳，然而這個(gè)過程卻沒有發(fā)生——碳仍然封存在植物體內(nèi)，氧氣也沒有在腐爛的過程中消耗。因此，當(dāng)森林長(zhǎng)得越來(lái)越茂盛時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的氧氣，大氣中的氧氣含量也會(huì)隨之上升。因此，生命又一次創(chuàng)造出了可供其自身實(shí)現(xiàn)飛躍性進(jìn)化的大氣層。

超高氧氣含量造就“巨蟲時(shí)代”

在石炭紀(jì)，由于煤炭的形成使大氣中的氧氣含量很高。根據(jù)對(duì)石炭紀(jì)化石的研究結(jié)果顯示，石炭紀(jì)的大氣中氧氣含量高達(dá)30 %～35%。極高的氧氣含量造就了動(dòng)植物的巨大體型，因此石炭紀(jì)也被稱為 “巨蟲時(shí)代”。

茂密繁盛的森林為動(dòng)物進(jìn)化提供了重要條件，蟑螂類和蜻蜓類，就是石炭紀(jì)突然崛起的一類陸生動(dòng)物。

1979年，在英格蘭德比郡博爾索弗發(fā)現(xiàn)了一只蜻蜓的化石，這只蜻蜓有著與眾不同的特征：它的翼展超過0.5米，這聽起來(lái)讓人覺得不可思議，但早在1880年的法國(guó)也發(fā)現(xiàn)了這類蜻蜓的化石，并在1885年被命名為巨大蜻蜓又名大尾蜻蜓或巨尾蜻蜓。石炭紀(jì)是個(gè)荒蠻的時(shí)代，不只是因?yàn)榫薮篁唑咽窃谶@一時(shí)期長(zhǎng)成為大型動(dòng)物的，這里還有1米長(zhǎng)的蝎子，千足蟲長(zhǎng)得更長(zhǎng)，蜉蝣的翼展也能達(dá)到0.4米，還有一種形狀像蜘蛛的巨型動(dòng)物，被稱作“海蝎”，其身體寬度就達(dá)0.5米。兩棲動(dòng)物的長(zhǎng)度竟也能達(dá)5米多。植物生長(zhǎng)得異常高大，今天我們所見到的矮小的石松樹，在這一時(shí)期的高度也能達(dá)到50米。

為什么當(dāng)時(shí)的動(dòng)植物能長(zhǎng)得如此之大呢？我們可以從動(dòng)物的呼吸方式中尋找答案。當(dāng)時(shí)的昆蟲沒有肺部，它們?nèi)聿紳M了細(xì)管，這些細(xì)管組織就是它們的輸氣管道，可以使空氣被動(dòng)地吸進(jìn)或呼出。這就對(duì)昆蟲的體形有所束縛，因?yàn)楸粍?dòng)呼吸系統(tǒng)無(wú)法迅速將氧氣傳送到體內(nèi)的深層組織。如果在今天的大氣層中，一只像博爾索弗化石樣本那么大的蜻蜓將不能以足夠快的速度振翅高飛，因?yàn)樗娘w行肌無(wú)法獲取氧氣。

海洋動(dòng)物進(jìn)化，兩棲動(dòng)物稱霸

石炭紀(jì)陸生生物得到飛躍發(fā)展，海洋中的無(wú)脊椎動(dòng)物不甘落后，種類也有更新。淺海底棲動(dòng)物中仍以珊瑚、腕足類為主。雖然腕足動(dòng)物在類群上有所減少，但數(shù)量依然很多，依舊占有相當(dāng)重要的地位；蜓類成為石炭紀(jì)海生無(wú)脊椎動(dòng)物中最重要的類群，頭足類中菊石類迅速發(fā)展依然繁盛，然而稱霸寒武紀(jì)的三葉蟲到了石炭紀(jì)卻已經(jīng)絕滅了一大部分，只剩下幾個(gè)屬種。

早石炭紀(jì)一開始，兩棲動(dòng)物蓬勃發(fā)展，主要出現(xiàn)了殼椎類，同時(shí)繁盛的還有堅(jiān)頭類。在石炭紀(jì)晚期，海生脊椎動(dòng)物發(fā)生飛躍性的進(jìn)化，適應(yīng)了更加廣闊的生態(tài)領(lǐng)域，從此擺脫了對(duì)水的依賴，這一時(shí)期的典型代表是在北美賓夕法尼亞早期地層中的林蜥，這一時(shí)期，兩棲動(dòng)物占了統(tǒng)治地位。

兇猛的林野火災(zāi)是維護(hù)大氣層平衡機(jī)制的一部分？

石炭紀(jì)時(shí)期的地球是一個(gè)綠色的世界，到處都覆蓋著苔蘚、 藤蔓、木賊和蕨類， 廣闊的赤道大陸地區(qū)是森林沼澤的天下。然而，富含氧氣的大氣層卻引發(fā)了其他一些事件。這個(gè)時(shí)期的化石記錄中出現(xiàn)了最早的活性炭，這就表示當(dāng)時(shí)的大氣層中含有充足的氧氣，足以引起火災(zāi)。大約從3.65億年前起來(lái)勢(shì)兇猛的林野火災(zāi)就開始橫掃大地。它們與其他的火種不同，因?yàn)榇髿庵械暮趿窟_(dá)到了30%，即使是潮濕的沼澤也會(huì)著火。今天，關(guān)于石炭紀(jì)活性炭的研究不僅揭示了火災(zāi)的強(qiáng)度，而且說明了被大火吞沒的植物的性質(zhì)。這些研究連同化石證據(jù)共同表明，當(dāng)時(shí)的植物已經(jīng)適應(yīng)了這種環(huán)境，并且有能力抵抗大火，因?yàn)闃淠疽呀?jīng)有了厚厚的樹皮，高高的樹冠，長(zhǎng)長(zhǎng)的根莖扎到土壤深層，這些都起到了很好的保護(hù)作用。橫掃地球的林野火災(zāi)的破壞性極強(qiáng)，由于它們會(huì)消耗氧氣，防止大氣中的氧氣濃度上升得過高，因此也是維護(hù)大氣層平衡機(jī)制的一部分。而且，森林燃燒會(huì)將二氧化碳重新注入大氣中。