FW: 從氧濃度波動看動物進化與滅絕

從氧濃度波動看動物進化與滅絕

奇 雲


氧氣是哺乳動物進化的“催化劑”

地球上的哺乳動物之所以能長得更龐大，並掌握對地球的統治權，在很大程度上依賴於近2.5億年來地球大氣層中氧氣含量的2次大增長。

這一觀點並非無稽之談，而是美國新澤西州羅特格斯大學海洋與海岸科學研究所（IMCS）的保羅·法爾科夫斯基教授和其同行，經過長期研究後得出的結論。美國《科學》週刊發表了法爾科夫斯基等人的這一研究成果。

法爾科夫斯基等人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，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。而在大約3億年前，大氣氧含量突然升高到30%，隨後在2.4億年前又驟降至12%。到了5000萬年前，氧氣水準回升至17%，4000萬年前，這一含量達23%。現在，大氣中的氧含量達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4～6倍，因此，它們需要較高的氧氣濃度使肌肉有效地工作。此外，體積較大的哺乳動物在耗氧量上要高於體積較小的同類。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，大氣中較高的含氧量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，但多數科學家對此給予高度評價。美國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：“上述研究結果已激發出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，如何影響非哺乳動物的進化過程。”
　

高氧氣含量造就遠古昆蟲
　

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。據推測，石炭紀的千足蟲和蝎子體長可達1米以上，有一種蜘蛛的腿長達50釐米。最著名的化石樣本，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。它的翼展竟超過78釐米，與現在的鷹差不多。同時，與此相似的巨型昆蟲化石在法國、俄羅斯和美國相繼發現，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昆蟲？有一種觀點認為：石炭紀時期地球大氣層中氧氣的濃度高達35%，可能是富含氧氣的空氣促進了這些巨型昆蟲的進化。

不久前，美國耶魯大學的生物學家羅伯特·貝爾納等人發表的一項古氣候研究，肯定了這一猜測。貝爾納等人在報告中指出，石炭紀時期地球大氣層中氧氣的濃度高達35%，比現在21%的氧氣濃度要高很多。許多節肢動物通過遍佈肌體的微型氣管直接吸收氧氣，而非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“呼吸”的。氣孔連著氣管，且由上到下又附著更多層越來越小的氣孔，由此把氧氣輸送到全身。在目前的氧氣水準下，蜻蜓等節肢動物氣孔系統的總長度已經達到最低極限，低於這個限度，氧氣就會不夠用。因此，根據這一構造可以判定，空氣中氧氣含量的多少決定昆蟲的形體大小。在高濃度氧氣環境中，“大個頭”的昆蟲有進化上的優勢，它們可以獲得更多的氧氣。

此外，科學家對海洋中無脊椎動物的研究也發現，在更冷、氧氣含量更高的水中，生物的體積也更大。
　

大氣氧濃度處於波動中
　

從地球發展史上看，地球大氣中的含氧量曾經發生過多次重大波動。最近的地球化學模型顯示，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，有時甚至會造成物種滅絕。

2.5億年前的二疊紀末期，地球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約30%驟然降至10%左右。

每種動物都有最低氧氣濃度要求，這是每個物種只能在某個特定緯度地區生活的原因。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。

美國華盛頓大學進化生理學家雷蒙德·休伊和古生物學家彼得·瓦丁認為，氧氣濃度在二疊紀中期達到30％，當時各種動物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，在高緯度地區生活的動物，由於不能及時調整自身的呼吸系統，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，一些動物也可能會因為生活資源有限而滅絕。