高濃度氧氣造就巨大動物

　 1979年，在英國挖出一具巨型蜻蜓化石，和現在的鷹竟然差不多大小

　　
　　3億年前蠍子竟有1米長———

　　地球上的哺乳動物之所以能夠讓自己長得更龐大，並掌握對地球的統治權，這在很大程度上依賴於最近二億五百萬年來地球大氣層中氧氣含量的2次大的增長。以上觀點並非無稽之談，這是美國新澤西州羅特格斯大學海洋與海岸科學研究所的保羅·法爾科斯基教授與其同行經過長期研究後得出的結論。近日，著名的美國《科學》週刊發表了法爾科夫斯基小組的這一研究成果。

    大氣中氧氣含量的上升，對大型動物的進化起到了某種促進作用。

　　法爾科夫斯基小組通過分析海底原始沉積物中碳和硫的同位素記錄，計算出過去數億年內大氣中的氧含量。結果發現，6億年前的大氣氧含量約為20%，與現在相近，直到4億年前一直相當穩定。大約3億年前，氧含量突然升高到30%，隨後在2.4億年前驟降到12%。到了5000萬年前，氧氣水平回升到17%。到4000萬年前，這一含量達到了23%。現在，大氣中氧含量達到了21%。研究人員在報告中說，大氣中氧氣含量的上升，對大型動物的進化起到了某種促進作用。

　　法爾科夫斯基說：「更多的氧氣應該有益於哺乳動物的進化。哺乳動物將食物轉化為能量的效率要比爬蟲類動物低4到6倍，因此，它們需要較高的氧氣濃度使肌肉有效地工作。此外，較大的哺乳動物在耗氧量上要高於較小的同類。因為，這些大塊頭需要十分費力地將血液輸送到各組織器官那裡，大氣中較高的含氧量將有助於它們獲得更大的進化機會。」

　　儘管有人對法爾科夫斯基的報告持懷疑態度，但多數專家給予高度評價。西亞圖州華盛頓大學的天體生物學家及古生物學家彼得·沃德說：「上述研究結果已經激發出了一些非常有趣的研究課題，科學家們現在正在研究氧氣濃度是如何影響非哺乳動物的進化過程的。」

    科學家認為，像現在鷹一般大小的遠古巨型蜻蜓，是高氧氣含量造就的。

　　科學家們通過化石記錄發現，在恐龍之前，地球上就有巨大的物種存在，它們就是3億年前石炭紀的巨型節肢動物。據化石推測，石炭紀的千足蟲和蠍子體長可達1米以上，有一種蜘蛛的腿長達50厘米。最著名的樣本，是1979年在英國德比郡採礦場地下挖出的一具巨型蜻蜓化石。它的翼展竟然超過78厘米，和現在的鷹差不多。與此相似的巨型昆蟲化石也在法國、俄羅斯和美國被發現，並且它們都來自石炭紀。

　　石炭紀為什麼會進化出如此巨大的動物呢？有一種觀點認為：石炭紀時地球大氣層中氧氣的濃度高達35%，富含氧氣的空氣可能促進了這些巨型動物的進化。

　　不久前，美國耶魯大學生物學家羅伯特·貝爾納等人發表的一項古氣候研究肯定了這個猜測。研究者在報告中指出，石炭紀時地球大氣層中氧氣的濃度高達35%，比現在的21%要高很多。許多節肢動物是通過遍佈它們肌體中的微型氣管直接吸收氧氣，而不是通過血液間接吸收氧氣，所以高氧氣含量能促使昆蟲向大個頭方向進化。

　　為弄清楚高氧氣含量是否推動了古代超大蜻蜓等節肢動物的進化，研究者對現代蜻蜓進行了研究。原來，昆蟲是通過它們身體上的氣孔系統來「呼吸」的。氣孔連著氣管，而且由上往下又附著更多層的越來越小的氣孔，由此把氧氣送到全身。在目前的氧氣水平下，氣孔系統的總長度已經達到極限；超過這個限度，氧氣的水平就會變得不夠。因此，根據這一構造可以有效判斷，空氣中氧氣含量的多少決定昆蟲的形體大小。也就是說，在高濃度氧氣環境中，大個頭的昆蟲就有進化上的優勢，它們可以獲得更多的氧氣。

　　對海洋中的無脊椎動物的研究也發現，在更冷和氧氣含量更高的水體中，那裡的生物的體積也更大。誠然，石炭紀時代的大氣氣壓確實比現在高。這就基本可以推斷那些遠古龐然大物的一個決定因素正是氧含量較高。但這究竟是怎樣導致它們體積變大的，目前科學家還很難回答。
　　
    地球大氣含氧量發生重大波動，對地球生物圈有時會造成災難性的影響。

　　從地球發展史上看，地球大氣中的含氧量並非穩定不變，曾經發生過多次重大波動。根據最近的地球化學模型，相信地球大氣含氧量曾經上升到35%，後來在1.2億年的時間內降至15%。地球大氣含氧量發生如此重大波動，對地球生物圈造成的影響可想而知，有時會造成災難性的影響。

　　古生物學家告訴我們，地球上宏觀生命的歷史分為三個巨大的時代︰古生代、中生代和新生代。每個時代又分為若干個階段。古生代後半期，其中泥盆紀終止於大約3.6億年前；石炭紀終止於2.8億年前，而二疊紀終止於2.5億年前。2億5千萬年前，二疊紀末期上演了一場大規模物種滅絕的悲劇，其原因可能在於那時大氣中的氧氣濃度從大約30%驟然下降到10%左右。

　　每種動物都有自己的最低氧氣濃度要求，這是每個物種只能在一個特定緯度地區生活的原因。例如，人類不能在海拔5100米以上生活。如果氧氣濃度只有12％，就好比生活在海拔為5300米的地區。對於那些毫無準備的動物來說，氧氣濃度下降一半會對它們的生活產生深遠影響。

　　華盛頓大學進化生理學家雷蒙德·休伊和古生物學家彼得·瓦丁提出假說認為，氧氣濃度在二疊紀中期達到了30％，各種動物當時可以在任何緯度地區生活。但隨著氧氣濃度的降低，原本在海拔6000米地區生活的動物就只能在海拔300米處生活，二疊紀時期近一半的陸地都不適合物種生存。因此，適合在高緯度地區生活的動物，由於不能及時調整自己的呼吸系統，可能就會滅絕。此外，由於大批動物被「擠」在十分有限的範圍內，一些動物可能因為生活資源有限而滅絕。