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氧氣就是靈氣,越多越好?有兩次生物大滅絕就發生在富氧時代

2019年5月19日來源:動物博覽 作者: 提供人:jiashou88......

綠色植物通過光合作用吸收二氧化碳,釋放出氧氣,從而凈化了我們的大氣,森林因而有地球的肺之稱。

大海里生活著數以億計的藍藻和藻類,也向水體和大氣中釋放了大量氧氣,因此也有說法稱森林和海洋是地球的兩葉肺。

氧氣就是靈氣,越多越好?有兩次生物大滅絕就發生在富氧時代

地球之肺:熱帶雨林

現代環保主義的要求是保護森林和海洋,我曾無數次的聽到過有讀者說氧氣就是靈氣,氧氣越多生物體就長得越旺。但鮮為人知的是,地球生命在進化歷程中經歷的兩次大滅絕,就發生在藍藻和植物繁盛、氧氣濃度急劇上升的時期,無數生命體竟在富氧的大氣中窒息而亡。

大氧化事件

地球上本來沒有游離的氧氣,有了生物才有了游離氧。因此,與一般人想的有氧氣才有生命不同,氧氣是生物的產物

距今38億年前,最早的生命在海洋中孕育,當時大氣中只有非常微量的氧氣(0.02%),因此早期生物都是一些厭氧生物

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顯微鏡下的藍藻

最早的產氧生物出現在距今約34億年前,是至今仍生活在海洋中的藍藻。藍藻能夠進行光合作用,將二氧化碳和水合成養分,同時把氧氣作為廢氣釋放。藍藻雖然叫“藻”,但它并不是藻類,也不是植物,它和細菌一樣屬于原核生物,因此它還有一個更恰當的名字,叫藍細菌。

當時地球上占統治地位的生物是厭氧的古細菌,氧氣對它們是有害的,主要體現在對它們遺傳物質DNA的氧化破壞。

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最原始的生命:古細菌

古細菌不是古代的細菌,而是一個獨立的生物類群,與細菌所屬的原核生物域,動物、植物所屬的真核生物域并列,是生物的三大域之一,叫古核生物域。“域”是最大的生物分類單位。

藍藻產生的氧氣最初并沒有導致大氣中游離氧的增多。當時海洋中富含二價的亞鐵離子,藍藻釋放的氧立即被亞鐵離子還原,生成三價的鐵離子。鐵鹽溶解度遠低于亞鐵鹽,于是沉淀于海底,現在地層中的鐵礦床就是在那個時期形成的。

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大氧化之前形成的鐵礦石

藍藻產生的氧消耗掉早期地球上的還原性物質共用了近10億年,到距今24.5億年前,海洋里所有的亞鐵離子都已經被氧化,游離的氧終于釋放出來,并在海洋和大氣中積累。

從24.5億年前到18.5億年前,大氣中的氧氣濃度從0.02%上升到了4%,這就是地質史上著名的大氧化事件,大量的厭氧生物被氧氣殺死。

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大氣中氧氣含量變化,第二階段即大氧化事件

由于年代過于久遠,我們不清楚當時的生命損失有多大。但可以確定的是,當時海洋里隨處可見的古細菌絕大多數在大氧化事件中滅絕了,今天我們只能在深海熱液噴口、高濃度的鹽堿湖湖底這種極端缺氧的環境中,才能見到古細菌的蹤跡。

與大氧化事件相伴隨的是休倫冰期(距今24億至21億年前)。藍藻吸收了二氧化碳,釋放的氧氣又把甲烷氧化,這兩者是大氣中的主要溫室氣體,于是地球急劇降溫,凍成了一個雪球,這就是休倫冰期,地質史上第一次、持續最久也是最嚴重的一次冰期。

幸虧當時的火山比現在活躍,火山爆發積聚的甲烷和二氧化碳又在幾千年間將“雪球地球”融化,否則生物的演化將大受影響。

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“雪球地球”,休倫冰期大致就是這個樣子

進化機遇早期生命厭氧的毀滅,為好氧生物的發展騰出了空間。在沒有氧氣的年代,早期生物的演化受到了能量方面的限制,只能維持最簡單的形式。現在有了氧氣,各種生物都可以輕易分解有機質獲取能量,生命體得以向更復雜、更高級的方向進化。

大多數古細菌都在這場“氧氣災難”中滅亡了,但有一小部分活了下來,它們具備了DNA修復功能,能修復被氧自由基損傷的遺傳物質。距今21億年前,這一伙古細菌演化出了核膜,將細胞核和細胞質分開,成為最原始的真核生物

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真核動物(綠藻)細胞

距今20億年前,原始真核生物吞噬了一種好氧細菌,并將后者同化為自身的一部分,這就是線粒體——我們細胞中最重要的細胞器,我們的呼吸中心和能量中心。從此真核生物過上了有氧生活。

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真核動物的線粒體

真核生物在十幾億年的演化中分為三個分支:動物、植物和真菌,這才有了如今絢麗多彩的世界。

晚泥盆世大滅絕事件

地質史的單位從大到小有宙—代—紀—世—期5個層級,一個代通常有數億年,一個紀有5000-8000萬年,一個世是幾百萬到2000萬年。生物大滅絕通常發生在兩代或兩紀之交的幾萬年到幾十萬年間。

但卻有這樣一個世,整個世都在發生著大滅絕,這個世就是晚泥盆世。這次大滅絕稱為晚泥盆世大滅絕,從距今3.77億年前一直持續到3.59億年前,是顯生宙的第二次生物大滅絕,也是持續時間最長的一次滅絕事件。

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泥盆紀的世界:盾皮魚稱霸,總鰭魚登陸

這場災難的起因,被認為是發生在今西伯利亞地區的一次超級火山爆發。然而,有專家指出,這場大浩劫能持續1800萬年之久,植物在其中起到了推波助瀾的作用。

植物早在泥盆紀之前就已經登上了陸地,當時陸地還沒有以活的植物為食的動物,饑餓又無能的節肢動物只能取食植物遺體碎屑。那個時代真的是植物發展的黃金時期,在泥盆紀之初,陸地植物最高只有30厘米,到泥盆紀結束之際,大型蕨類已經可以長到30米,增高了100倍。植物在泥盆紀迅速蔓延到陸地的每一個角落,形成了世界性的原始森林。

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晚泥盆世的陸地:植物和昆蟲的天堂

在植物強烈的光合作用下,大氣中的氧濃度從晚泥盆世開始節節攀升,到石炭紀達到地球有史以來的最高峰。然而,這場海洋生物的災難就發生在這個富氧時代,兇手之一就是地球之肺——植物。

陸地上本來是沒有土壤的,森林主導了風化作用,從巖石中分解出無機鹽,這正是植物所需要的肥料。雨水將無機鹽沖進海里,引起了藻類的大量繁殖,導致了水體富營養化,耗盡了海洋里的氧氣。大量的海洋生物就在海洋缺氧的環境中窒息而死。

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水體富營養化

植物釋放氧氣的同時抽掉了大氣中的溫室氣體二氧化碳,導致地球降溫,不僅完全解除了超級火山爆發造成的溫室效應,還使地球墜入了冰期。很多海洋生物因承受不了忽熱忽冷的氣溫驟變而死亡。冰川的形成導致海平面下降,海洋生物賴以生存的淺海區域暴露出海面。

這次大滅絕中損失最慘重的就是珊瑚礁,海水缺氧和海平面下降對它們是致命的。其他的無脊椎動物如三葉蟲、腕足動物和菊石,都遭到了不同程度的重創。

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泥盆紀霸主:鄧氏魚

古魚類中的盾皮魚、肉鰭魚和無頜魚,要么滅絕,要么損失慘重,只有少數種類殘存至今。泥盆紀海洋霸主、有史以來最大的盾皮魚類——鄧氏魚,體長6-7米,也在這場災難中滅絕了。幸存的古鯊類體長不超過一米,其他的魚類多數都只有十幾厘米。脊椎動物遭此重創,4000萬年之后才重新走上大型化。

在晚泥盆世的陸地,沒有什么能阻擋植物和節肢動物的活躍進化,它們在氧氣過剩的環境中持續繁榮。地球呈現出冰火兩重天的態勢,陸地上生機無限,海洋里尸殍遍野。

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晚泥盆世的海洋:一片地獄

進化機遇:晚泥盆世大滅絕發生時,地球上有充足的氧氣,但海洋動物的鰓無法攝取空氣中的氧,只能活活被窒息而死。海洋曾經是地球生命的搖籃,在晚泥盆世卻成為一片地獄。

要么死亡,要么離開海洋。在晚泥盆世居于統治地位的盾皮魚就此全部滅絕,肉鰭魚也遭到重創,但它們不甘心坐以待斃,而是進化出了可以呼吸空氣中的氧氣的肺,和適于在陸地上行走的四肢。

就在海洋生物正在經歷著水深火熱的時候,最早的四足動物——魚石螈成功登陸,來到了生機勃勃的陸地。這第一批四足動物,就是后來兩棲動物、爬行動物、鳥類和哺乳動物的共同祖先,沒有它們就沒有后來的恐龍,以及今天的人類。

氧氣就是靈氣,越多越好?有兩次生物大滅絕就發生在富氧時代

魚石螈登陸

當四足動物演化到爬行動物階段,就已經成為陸地上無可爭議的主宰。爬行動物演化出了專門取食植物的植食性動物,從而控制住了植物的無節制蔓延。植物的黃金時代結束了,動物和植物的關系終于實現了平衡,地球大氣中的氧氣濃度此后一直保持在20%上下,再也沒有晚泥盆世那么劇烈的波動了。

給我們的啟示

上面兩次氧氣和植物帶來的災難,給我們三點啟示:

第一,氧氣不是越多越好,而是夠用就行。早期的原始生命適應了大氣中只有微量氧,當氧氣濃度上升到4%,它們就遭到了滅頂之災。我們人類和現代生物最適應的就是現在21%的氧氣濃度,過高的氧氣濃度會對我們機體產生損害。人在純氧環境中只能存活很短的一段時間,所以醫學上的吸氧最多也只能用60%的氧氣。

氧氣就是靈氣,越多越好?有兩次生物大滅絕就發生在富氧時代

地球之肺:熱帶雨林

第二,動物和植物需要平衡,植物也不是越多越好,無節制蔓延的植物也會對環境造成破壞。新生代以來,由于氣候轉為干冷,森林漸漸衰退,大氣中氧氣濃度一直呈下降趨勢,從26%下降到今天的21%。現在森林的破壞和海洋的污染,會加速氧氣濃度下降的趨勢,因此當務之急就是保護好地球的兩葉肺。

第三,每一次生物大滅絕都是一次進化機遇,不適者被淘汰為適者的發展鋪平了道路,正是無數次史前災難造就了今天的世界。

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