火和巨型生物的领地石炭纪

撰文｜乐闲

火和巨型生物的领地石炭纪

撰文｜乐闲

大约5.3亿年前，多细胞动物几乎同时突然出现在海洋中，新的物种出现了爆发式增长，从那时起，大气中的氧气含量也继续以飞快的速度上升，并为生物进化创造了条件。在距今4亿年的志留纪晚期，植物终于从水中开始向陆地发展，陆生植物中的裸蕨植物首次出现；紧随其后的是鱼类开始了征服陆地的征程，慢慢地不再依赖水环境生存。随着氧气浓度的上升，新的生态系统变得越来越复杂，范围也日渐扩大，最终形成了茂盛而潮湿的森林，就这样，地球历史上一个最不同寻常的时期开始了：石炭纪。

石炭纪，是晚古生代的第二个纪，开始时间距今3.54亿年前，结束于距今2.95亿年。由于这一时期形成的地层中含有丰富的煤炭，因而得名“石炭纪”。

树木遗骸是怎样成为煤炭的？

石炭纪时期潮湿的森林已经在以惊人的速度储存最早的碳层了，这个过程持续了数百万年。事实上，全世界90%的煤层都源于这个时期。煤炭是由树木的残骸形成的，现在，全世界都在开采那些古老的森林，而在过去，它们曾为地球上某些最珍稀的生物提供栖居家园。

在石炭纪，植物种类繁多，生长迅速，它们死后即便有一部分很快腐烂，但其残体还是会在地面上不断地堆积。由于当时森林的不少林地是被水浸泡着的沼泽地，死亡后的植物残体会很快下沉到稀泥中，形成封闭的还原环境，在这种环境中植物枝干避免了外界的破坏，抑或是因为当时的细菌还没有进化出消化木质粗纤维（木质素）的能力，掩埋在地底下的植物残体中的物质没有完全分解，形成的大量泥炭在地层中得到很好的保存，经过年复一年的压实作用，形成了煤炭。

因为煤炭是由没有腐烂的植物残体形成的，因而这部分植物残体并没有完全进入再循环过程，所以，碳和氧之间的循环就出现了不平衡。众所周知，树木通过光合作用吸收二氧化碳，同时排放出氧气，相反，植物腐烂会吸收氧气，释放二氧化碳，然而这个过程却没有发生——碳仍然封存在植物体内，氧气也没有在腐烂的过程中消耗。因此，当森林长得越来越茂盛时，就会产生越来越多的氧气，大气中的氧气含量也会随之上升。因此，生命又一次创造出了可供其自身实现飞跃性进化的大气层。

超高氧气含量造就“巨虫时代”

在石炭纪，由于煤炭的形成使大气中的氧气含量很高。根据对石炭纪化石的研究结果显示，石炭纪的大气中氧气含量高达30 %～35%。极高的氧气含量造就了动植物的巨大体型，因此石炭纪也被称为 “巨虫时代”。

茂密繁盛的森林为动物进化提供了重要条件，蟑螂类和蜻蜓类，就是石炭纪突然崛起的一类陆生动物。

1979年，在英格兰德比郡博尔索弗发现了一只蜻蜓的化石，这只蜻蜓有着与众不同的特征：它的翼展超过0.5米，这听起来让人觉得不可思议，但早在1880年的法国也发现了这类蜻蜓的化石，并在1885年被命名为巨大蜻蜓又名大尾蜻蜓或巨尾蜻蜓。石炭纪是个荒蛮的时代，不只是因为巨大蜻蜓是在这一时期长成为大型动物的，这里还有1米长的蝎子，千足虫长得更长，蜉蝣的翼展也能达到0.4米，还有一种形状像蜘蛛的巨型动物，被称作“海蝎”，其身体宽度就达0.5米。两栖动物的长度竟也能达5米多。植物生长得异常高大，今天我们所见到的矮小的石松树，在这一时期的高度也能达到50米。

为什么当时的动植物能长得如此之大呢？我们可以从动物的呼吸方式中寻找答案。当时的昆虫没有肺部，它们全身布满了细管，这些细管组织就是它们的输气管道，可以使空气被动地吸进或呼出。这就对昆虫的体形有所束缚，因为被动呼吸系统无法迅速将氧气传送到体内的深层组织。如果在今天的大气层中，一只像博尔索弗化石样本那么大的蜻蜓将不能以足够快的速度振翅高飞，因为它的飞行肌无法获取氧气。

海洋动物进化，两栖动物称霸

石炭纪陆生生物得到飞跃发展，海洋中的无脊椎动物不甘落后，种类也有更新。浅海底栖动物中仍以珊瑚、腕足类为主。虽然腕足动物在类群上有所减少，但数量依然很多，依旧占有相当重要的地位；蜓类成为石炭纪海生无脊椎动物中最重要的类群，头足类中菊石类迅速发展依然繁盛，然而称霸寒武纪的三叶虫到了石炭纪却已经绝灭了一大部分，只剩下几个属种。

早石炭纪一开始，两栖动物蓬勃发展，主要出现了壳椎类，同时繁盛的还有坚头类。在石炭纪晚期，海生脊椎动物发生飞跃性的进化，适应了更加广阔的生态领域，从此摆脱了对水的依赖，这一时期的典型代表是在北美宾夕法尼亚早期地层中的林蜥，这一时期，两栖动物占了统治地位。

凶猛的林野火灾是维护大气层平衡机制的一部分？

石炭纪时期的地球是一个绿色的世界，到处都覆盖着苔藓、 藤蔓、木贼和蕨类， 广阔的赤道大陆地区是森林沼泽的天下。然而，富含氧气的大气层却引发了其他一些事件。这个时期的化石记录中出现了最早的活性炭，这就表示当时的大气层中含有充足的氧气，足以引起火灾。大约从3.65亿年前起来势凶猛的林野火灾就开始横扫大地。它们与其他的火种不同，因为大气中的含氧量达到了30%，即使是潮湿的沼泽也会着火。今天，关于石炭纪活性炭的研究不仅揭示了火灾的强度，而且说明了被大火吞没的植物的性质。这些研究连同化石证据共同表明，当时的植物已经适应了这种环境，并且有能力抵抗大火，因为树木已经有了厚厚的树皮，高高的树冠，长长的根茎扎到土壤深层，这些都起到了很好的保护作用。横扫地球的林野火灾的破坏性极强，由于它们会消耗氧气，防止大气中的氧气浓度上升得过高，因此也是维护大气层平衡机制的一部分。而且，森林燃烧会将二氧化碳重新注入大气中。