巨蟲時代的“冰與火之歌”

王冠群 陳吉濤 潘浩晨

在地質史上， 發生過多次天翻地覆式的氣候波動，其中最著名的一次就發生在號稱“顯生宙持續時間最長冰期”的晚古生代大冰期中。當時，地球上發生了一次“不講武德”的巨量碳排放事件，幾乎讓當時的二氧化碳濃度翻倍，也讓當時（石炭紀）的巨型昆蟲走向末路。

那次碳排放事件和現代的碳排放相比，不論是二氧化碳的濃度數值還是所處的大環境都有相似性，因此對我們預測未來氣候變化的情況有著極強的借鑒作用。

凜冬將至，在劫難逃

在地球生物的演化史上，石炭紀可謂是群雄并起、英才輩出的時期。得益于石炭紀早期種子植物的輻射和大發展，再加上趁著“植物收割機”——脊椎動物還在水陸間徘徊，成片的森林迅速占領了地球上每一寸適合生存的地方，這極大地改變了地球的環境。

首先，森林本身的光合作用會吸收大量的二氧化碳，二氧化碳會轉化為植物體內的有機物。一旦植物死亡、變成煤層，碳也就隨之被固定在地層中。

其次，大量的根系讓原本堅固的地面變得松動和脆弱，導致硅酸鹽巖風化加劇。硅酸鹽在風化中會與二氧化碳反應，形成碳酸鹽巖和二氧化硅，這也是一個固碳的過程。

最后，風化使得磷等陸源營養物質大規模灌入海洋，這對海洋中各種浮游藻類來說就是“大補丸”，它們迅速繁衍，讓全球海洋生產力暴漲（今天人們稱之為“藻華”“赤潮”等）。與陸地上的植物相似，浮游藻類死亡后，其體內的有機物也會被埋藏而變成地層的一部分。

這三管齊下的結果，就是大氣中的二氧化碳含量快速降低。眾所周知，二氧化碳是重要的溫室氣體，失去了二氧化碳這床“大棉被”，地球的溫度便開始頭也不回地往下“俯沖”。更雪上加霜的是，極地冰蓋出現后，由于冰層反照率高，會將更多的陽光反射回大氣中，造成地球接收到的熱量降低，而且這個過程隨著冰蓋向低緯度擴張而越來越嚴重，成為一個惡性循環。持續千萬年之久的凜冬，終于不可避免地來了。

在石炭紀初期的地層中就開始出現此次冰期的證據，而在石炭紀晚期- 二疊紀初期的地層中則達到高峰，巨大冰川的痕跡比比皆是。一種叫作“墜石”的地層現象也在這一時期較為常見，這是一種在規則沉積的地層中非常突兀地出現一塊礫石的地層現象。這種看上去如同鑲嵌在地層中的石頭，其實就和冰川有關。

在大型冰川崩解后，帶著一部分碎屑礫石的小冰山就開始了四處漂浮流浪的生活。而隨著這些“孤兒”日益消融，其夾帶的碎屑礫石便散落在原本正常沉積的地層之中，從而顯得極為扎眼。如今，兩極冰川也已在崩解中，現代的“孤兒”已經帶著礫石開始了流浪，在未來的某一天也會形成類似的墜石現象。

巨蟲當道，逐鹿中原

和如今“四分五裂”的大陸形態不同，那會兒的地球有個無比龐大的超大陸（Pangaea），而無數的“英雄好漢”也在這片“中原大地”上樂此不疲地你爭我奪，節肢動物無疑是其中最引人注目的一群。

由于野蠻生長的植物拼命排放著氧氣，當時大氣中的氧氣含量高得驚人，于是陸生節肢動物在石炭紀幾乎達到了身體尺寸的極限。翼展達到75 厘米的巨脈蜻蜓在遮天蔽日的樹冠下振翅飛翔，地面不時爬過2米長的巨型馬陸，幽暗的樹蔭深處還有70 厘米長的肺蝎靜靜等待著獵物上門……當時密布全球的雨林給了這些巨蟲得天獨厚的棲息地，使得石炭紀有了“巨蟲時代”的美譽。

剛剛進化出羊膜卵的爬行動物們則正開始遠離河流，朝內陸廣袤的森林小心謹慎地進行著探索，它們在日后將會繼續演化成為合弓綱和蜥形綱的巨獸。但至少在石炭紀，它們還都是像蜥蜴一般的原始爬行動物，體形不大，往往會淪為巨蟲的口糧。

但是，就在這些動物在森林中殺得你來我往時，巨變來了！

久旱逢火，雨林崩潰

石炭紀龐大的雨林體系雖然潮濕，但是依然有著致命的隱患——森林大火。

由于當時空氣中的氧氣含量很高，且隨著氣候逐漸變冷，冰川規模日益龐大，這些龐然大物帶走了大量水分，讓海平面下降，改變了洋流和季風，同時讓空氣變得異常干燥。

只要有一丁點的引火物——比如閃電、局部陽光暴曬、火山爆發等，就會讓大片森林陷入熊熊大火中，頃刻間灰飛煙滅。到了石炭紀末期，這種森林大火頻繁發生，讓森林以及林中的生物一次次遭受滅頂之災。

在火與旱的洗禮下，曾經浪漫而蓬勃的雨林體系終于支撐不住而全面崩潰。這一事件被稱為“石炭紀雨林崩潰事件”。

巨蟲謝幕，改朝換代

與此同時，地球積攢了上千萬年的二氧化碳也瘋狂地噴涌而出。科學家對中國貴州石炭紀晚期的卡西莫夫期和格舍爾期界線（簡稱“KGB”）地層做了碳同位素測試分析，發現在距今3.04 億年的這一時期，地球在“短短”30 萬年的時間內向大氣中拋出了大約9 萬億噸的碳，讓當時地球大氣的二氧化碳濃度從350ppm 飆到了接近700ppm（ppm，即百萬分比），幾乎翻了一倍。而現今的二氧化碳濃度，大約是420ppm。

從碳的同位素比值來看，這巨量的碳的來源是有機碳。造成這個結果，可能有兩方面的原因。

一是火山。從熾熱的熔巖接觸到有機沉積物（例如煤層）的那一刻起，碳就回歸空氣大家庭了，更別說熔巖本身就攜帶不少的碳。不過，這還需要更精細的研究才能確定。

二是永久凍土層的融化。這個可謂是惡性循環的大殺器，在變暖的驅動下，這些常年冰封的凍土開始融化，其中的有機碳因此被釋放出來，從而讓氣候快速變暖。

不過無論誰是兇手，這次全球變暖都讓不少無辜的生物遭了殃，因為它除了讓溫度急劇升高，還有個要命的結果就是海洋缺氧。科學家對KGB 的碳酸鹽巖做了鈾同位素測定，發現這一時期的巨量碳排放使得海水的缺氧面積由之前的4% 擴張到了22% 左右。這對當時相對比較單純的海洋環境可就不那么友好了，行動不便的底棲有孔蟲以及腕足動物、珊瑚，都因為缺乏運動能力而在“窒息”中大規模死亡。

而陸地上的巨蟲們在森林大火和雨林崩潰帶來的棲息地急劇縮水的雙重摧殘下，又遭受到全球變暖和氧氣含量下降的致命一擊，再也沒法延續曾經的輝煌，從此讓出了霸權，走上了小型化的道路。巨蟲時代從此畫上了句號，卻開啟了另一場“權力的游戲”。從此，地球正式進入巨獸和巨龍時代。

趁你冰，要你命

巨蟲的時代雖然落幕了，但是這個3 億年前的巨量碳排放事件對我們現代人的警示遠沒有結束。

其實，碳排放增加在地質史上的次數多到數不清，而這次KGB 尤為不尋常的地方在于——同等碳排放程度下造成了最大的海洋缺氧面積。

地球的氣候可以籠統地分為兩大類型，即冰室氣候和溫室氣候，兩者的區別就在于兩極是否有冰蓋。而前文說過，KGB 發生時，地球正處于顯生宙以來最長的冰室氣候，極地的冰蓋又厚又大，其他事件卻都是處在溫室氣候的大環境下，所以從數據上看，其實是冰室氣候下的碳排放比溫室氣候下的碳排放可能更要命。

地球本身是具備自我調節功能的，就像有機體一樣。一旦碳排放過多，溫度上升的同時，降雨也會跟著增多，從而造成化學風化進一步加強，使得碳被更多地封進巖石中，從而減緩溫度上升；反之，溫度下降會減少降雨，讓風化減弱，從而減緩溫度下降。這個系統在原理上是沒問題的。

但是，問題就在于，一旦碳排放過快，有無冰蓋在短期內的影響是截然不同的：有冰蓋的情況下，會存在大量的凍土層，這些凍土的融化會進一步加劇碳排放；而冰蓋的反照率也較高，冰蓋快速消融的后果就是反射回太空的太陽光大大減少，這意味著保留在地球上的熱量大大增加。

這兩點就讓冰室期的碳排放有著火上澆油的效果。而且，冰川的消融還讓原本被覆蓋的巖石有機會被風化溶解，從而流入海洋，其中的營養物質又造成了海洋中的赤潮——與赤潮隨之而來的就是水體缺氧和毒素富集，導致其他生物大量死亡。

昔蟲已逝，警鐘長鳴

不幸的是，我們現在正處于冰室氣候中。工業革命以來，我們向大氣中排放的二氧化碳逐年增加——其中很大一部分的二氧化碳都來自石炭紀被埋藏于地下的有機碳所形成的各種化石燃料。

我們目前面臨的困境，是兩極冰川已經開始大面積崩塌，而且地球上的凍土也正處于崩潰邊緣，各地頻發的森林大火以及層出不窮的極端天氣也已經向我們敲響了警鐘。

我們雖然已經認識到情況的緊迫，但是各自為政的各國政府步調并不一致，而且現代社會的發展也正是建立在化石燃料的基礎之上的。那么，如何平衡發展與環境、如何達成全球的一致行動，這些問題在日益緊迫的氣候變化下對所有人都是巨大的挑戰。（責任編輯：白玉磊）