巨蟲之謎

編譯魏明

你見過翅膀長達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：那時怎么會有體形如此龐大的昆蟲呢?

巨蟲的時代

如果此刻你正置身于3億年前的石炭紀的原始叢林中，或許翅膀長達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物正從你身邊緩緩爬過。同時，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備偷襲你!

的確，石炭紀是一個“巨人時代”，在高大的石松樹冠下面，從蠑螈大小到5米長度的兩棲動物比比皆是，其中一種動物在現代英國的霍維克地區留下了自己的足印化石。石炭紀的千足蟲和蝎子體長可達1米以上，有一種蜘蛛的腿長也達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、俄羅斯和美國被發現，并且它們都來自石炭紀。

石炭紀為什么會進化出如此巨大的動物呢?有一種觀點認為：富含氧氣的空氣可能促進了這些巨型動物的進化。

據說石炭紀時代空氣中的含氧量比現在要高出一倍，這可能會令你感到頭暈。科學家們現在普遍相信，貫穿整個地質歷史，大氣中的氧氣含量一直在劇烈地波動，正是這一點促使了這些巨型動物逐漸演化，直至滅亡。

真的是富含氧氣的環境造就了石炭紀體型巨大的動物嗎寧回答這個問題非常重要，因為研究生命在高含氧量的大氣中的反應，不僅可以讓我們了解過去曾經發生的事，而且還可以幫助我們預測未來，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，石炭紀為什么會有那么多的氧?科學家對此一直爭論不休。

實際上，今天所有構成大氣的元素都是光合作用的副產品。利用從陽光中得到的能量，植物和綠藻把水和二氧化碳轉換成碳水化合物和其他有機碳化合物，并在這一過程中釋放出氧氣。而動物的呼吸剛好相反，將氧氣和碳水化合物轉化成二氧化碳和水。這兩個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，空氣中也不會有多余的氧，因為植物制造出來的氧氣已經被數量同樣龐大的動物給消耗掉了。同樣的情形也發生在海洋中。

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有多少氧，就需要知道在地下埋藏了多少有機碳。

不幸的是，我們沒有辦法進行樣本測試，因為絕大多數的有機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。經過漫長的歲月，大多數的沉積巖已經被腐蝕、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在多一半的結論，從而在科學界引發了一場有關氧氣的辯論。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密閉的“時間容器”。現在，為了了解石炭紀空氣中的含氧量，羅伯特決定借助于生物體對碳的奇特的好惡。

碳原子有兩種穩定的同位素形式——碳12和碳－13。較之碳－13，進行光合作用的生物更偏愛質量較輕的碳－12，結果有機物里充斥了大量的碳－12。碳12分裂時將碳－13釋放出來遺留在外界的過程，正是海洋中的有機物逐漸沉積、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的含量的確比現在高出許多的話，也就意味著當時有機物的沉積量也比現在高出許多，由此還可以估計出當時空氣中氧的含量。

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

遠古的野火

羅伯特的結論似乎證明了石炭紀空氣中的含氧量的確比現在高出許多。然而，羅伯特迂回輾轉得到的這一結論卻遭到了一些科學家的駁斥。他們指責羅伯特忽視了一個重要的因素：地球的生物圈。他們認為，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，使其最多只能達到28％，而不可能更高。

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

對于這種觀點，羅伯特認為有缺陷。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碳化合物不會再進一步分解，就連微生物也拿它無可奈何。

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

假如石炭紀真的發生過如此多的野火，就應該留下豐富的化石，因為動植物也會被迫順應這些新的變化——不光是野火，而且還有大氣中不斷增加的氧氣含量。找到證據了嗎?

迄今為止的發現是令人鼓舞的。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澤沼中的植物是如何適應野火的。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，石松應該能顯示出適應野火的一些跡象，詹妮弗也找到了石炭紀曾經發生過多次野火的確鑿證據。在來自這一時期的一些煤炭中，包含著多達30％的化石木炭，這就意味著盡管當時周圍的環境很潮濕，野火卻很常見。石炭紀木炭所具有的物理學特性(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富含氧的明顯跡象。

長得更大

石炭紀的空氣中富含氧氣，那么當時的動物又如何適應這樣的環境呢?

根據保存狀況并不好的巨型蜻蜒化石可以看出，石炭紀巨型蜻蜒的翅膀結構與現代蜻蜒相比要簡單一些。石炭紀巨型蜻蜓的體型這么大，結構卻又這么簡單，這讓一些科學家認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。他們認為，石炭紀的巨型昆蟲之所以能夠長得如此之大，僅僅是因為它們的獵物身材也比較大。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，一些地質化學家還指出，從數量上看也不大對勁。呼吸時，蜻蜒通過密布體內的細小氣管來吸收氧氣。但即使是大氣中的氧氣含量達到35％，蜻蜒的氣管長度也只需要增加大約67％。也就是說，蜻蜒的體長相應地只需增加1倍。而實際情況是，石炭紀巨型蜻蜒的體長竟然達到了其現代表親的5倍。這究竟是怎么一回事呢寧?

美國得克薩斯州大學的昆蟲生理學家羅伯特·達利相信自己已經找到了答案。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變大，而只是提高昆蟲能夠達到的體型最大值。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。達利指出，即便是在古代巨型蜻蜒體內，飛行肌肉的寬度也不過2.8厘米，而現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，因此我們永遠也不可能知道確切答案。不過，巨型蜻蜓的現代表親對空氣中的氧氣含量十分敏感。科學家測量了昆蟲在飛行時的呼吸頻率，發現大多數昆蟲的呼吸速率不會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生氣流。在飛行時，如果蜻蜓無法獲得足夠的氧氣，就會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，同時體型又變大。大體型能給蜻蜓一種競爭優勢，于是它們就在石炭紀富含氧氣的環境中長大、長壯了。

達利相信，石炭紀的濃密大氣或許正是生物能夠飛起來的最初動力。考古證據與此相符。最早的飛行昆蟲正是在石炭紀早期進化出來的，而這時也正是大氣中氧氣含量上升的時期。鳥類和蝙蝠是在大約1億年前的白堊紀出現的，而白堊紀也是空氣中氧氣含量很高的時期之一。

新的證據

當今世界也有證據表明，環境中的氧氣含量如果變高，就會導致生物體型變得較大。達利進行了一項實驗，他在壓力略大、氧含量略高的空氣中喂養果蠅。盡管現在實驗仍處在初期階段，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％，果蠅的體型卻不會發生改變。達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。目前，這一實驗仍在進行當中。

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驗室中，也存在于外部環境中。比如。氧氣含量會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。現在科學家正在研究不同的氧氣含量是否會影響水生生物的體型大小。研究重點是一些被稱為端足類動物的甲殼動物，其外形有點像蝦。端足類動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。科學家經過對比發現，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利和其他科學家的研究成果，因為這或許能告訴人們如何才能延緩衰老的進程。要是這一延緩能夠在人類自身上出現，其意義是不言而喻的。同大多數其他動物一樣，太多的氧對人并不好。在一般的新陳代謝過程中，會持續產生氧自由基，這種物質被認為是導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，同時讓身體盡量變得更健康。

但是，上述研究結果卻引起了人們極大的憂慮。如果僅僅因為大氣中的氧氣含量高，就能產生體型巨大的昆蟲和野獸，那么一旦氧氣含量下降，這些生物也勢必會受到極大的傷害。如果全球持續變暖，水溫繼續上升，大型端足類動物將最先滅絕，繼而以它們為食的魚類也會滅絕，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和其最終消亡的原因，就顯得極為重要。