最早的陸生植物把地球變成了大冰箱

作者：徐洪河（中國科學院南京地質古生物研究所）

在漫長的，至少6億年的生命歷史中，地球從冰封的白色星球到鬱鬱蔥蔥的藍色世界，從高濃度二氧化碳的環境到富氧的宜居世界，從生命的起源初現到數次慘烈的集群滅絕，從荒蕪貧瘠到充滿生機，所有的元素都動員了起來，共同上演著一出又一出生命與環境之間滄海桑田的劇變。

植物登上陸地是生命歷史進程中的重大事件，因為正是植物逐步改變了陸地環境，為包括人類在內所有陸地生活的生物奠定了基礎。

早在20世紀80年代初，科學家就通過研究海生動物的化石記錄和多樣性變化，發現了地質歷史時期的生物多樣性並不是一帆風順地逐漸增加，而至少發生了五次大滅絕（又被稱為「集群滅絕」）事件。每次大滅絕事件都會導致全球至少75%的生物滅亡，生物多樣性明顯減少，對整個生物圈甚至地球系統產生了重大而深遠的影響。

6億年以來海洋生物多樣性變化曲線，據此識別出了五次生物集群滅絕事件，海洋生物多樣性總體趨勢是增加的，不同特點的動物群用不同顏色標識了出來。地質年代的單位是百萬年，人類今天生活的時代在最右側，即，0的位置。（圖：徐洪河）

生物大滅絕的過程複雜，原因多種多樣，早已成為地球科學家們研究的熱點，也是公眾非常關心的內容。地質歷史時期生物大滅絕儘管發生了多次，每次的原因也難以一概而論，但是，它們共同的規律就是每次都伴隨著全球性的氣候變化，非常值得注意之處還有，每次生物大滅絕事件都與冰期的大規模出現有密切關係，對於前兩次的大滅絕事件，即，奧陶紀末和泥盆紀晚期的兩次大滅絕事件，大冰期可能還是主要的原因呢！

當今地球上大規模的冰蓋僅僅分布在地球的兩極，而在地質歷史時期，冰蓋曾經覆蓋過地球上的絕大部分區域，究竟是什麼引起了地質歷史時期中大規模冰期的出現與消退呢？大氣二氧化碳的濃度就是最關鍵的指標。這其中的道理我們已經耳熟能詳，大氣中的二氧化碳就像是地球的棉被，如果二氧化碳濃度過高，將引發溫室效應，地球的平均溫度迅速升高，反之，地球溫度驟降，甚至引發冰期。

6億年以來大氣二氧化碳濃度變化曲線，兩次最大幅度的大氣二氧化碳濃度降低分別發生在奧陶紀和泥盆紀，這兩次大氣濃度變化都與陸生植物的蓬勃發展密切相關，兩次相關的大滅絕事件也標示了出來。黑色曲線後的黃色區域為二氧化碳濃度的誤差範圍。左側縱坐標表示的是二氧化碳濃度相當於當今大氣二氧化碳濃度的倍數，今天的數值是1。地質年代的單位是百萬年，人類今天生活的時代在最右側，即，0的位置。（圖：徐洪河）

全球性冰期到來時，地球上除了赤道等區域以外全部覆蓋著冰蓋，海水大規模消退，海洋環境急劇萎縮，在這種情況下，生活在海洋中的各種生物慘遭滅絕也就在所難免了。五次生物大滅絕事件主要識別依據是生活在溫暖海洋水體中的生物化石記錄。如果地球變成了「大冰箱」，這些習慣溫暖水體的海洋生物慘遭滅絕也就不足為怪了。可令人奇怪之處在於，讓地球整體降溫，變成大冰箱的罪魁禍首其實是在陸地上生活的植物。

奧陶紀的那些微小植物，靜悄悄地安居在堅硬的岩石上，在不經意間就對海洋中的各種動物發動了千軍萬馬一般的攻擊，讓無數海洋動物慘遭滅絕。

化石記錄表明，在距今4.8-4.4億年的奧陶紀，最早的植物開始登上了充滿岩石的陸地。這些開拓者和先驅堪稱是陸地環境的功臣，其貌不揚，形態簡單，纖細，矮小，可能非常類似於今天常見的苔蘚類植物。

這些苔蘚類植物在奧陶紀時生物多樣性迅速提升，它們不具有疏導水分和營養成分的維管束組織，因此屬於非維管植物。它們沒有真正的根，僅僅靠簡單微小的假根把自身固著在看似堅不可摧的岩石上。今天地球上佔優勢的植物都具有可以疏導水分和營養成分的維管束，被統稱為維管植物，蕨類植物，裸子植物和被子植物都屬於維管植物。由於苔蘚不具有維管束，因此植株整體都不高。

早期的陸生植物化石記錄稀少，在志留紀和泥盆紀的地層中也能找到它們的蹤影。這些微小的苔蘚植物有著不可低估的力量。它們登上了陸地之後，改變了陸地，天空甚至海洋的環境，引發了地球上大冰期的到來，進而導致了生命歷史上海洋生物的第一次大滅絕——奧陶紀末大滅絕。

科學家們已經通過實驗發現了苔蘚植物的秘密武器。科學家們把一種普通的苔蘚，小立碗蘚（Physcomitrella patens），種植在花崗岩上，觀察它對花崗岩造成的破壞作用。這種苔蘚一般的高度為0.5-5.0 mm，它們在花崗岩上生長了130天之後，科學家們發現這塊花崗岩比普通岩石經歷了更為顯著的風化作用，其效果與維管植物在岩石上發生的風化作用不相上下。苔蘚植物雖然身形嬌小，卻力量非凡，它們會分泌一系列濃度不同的有機酸，這種有機酸足以把岩石溶解掉。

現生苔蘚植物小立碗蘚（Physcomitrella patens）和葫蘆蘚（Funaria hygrometrica），它們的植株整體高度不超過2 cm。

奧陶紀時期無數微小的和苔蘚類似的植物在漫長的地質歷史時期分解了岩石，改變了陸地上岩石的化學組分，重塑了地表，結果之一就是使岩石變得更加易於和大氣二氧化碳進行反應，大氣中大量二氧化碳被吸收。地質歷史時期最大幅度的二氧化碳濃度降低就發生在奧陶紀時期，當時，大氣二氧化碳濃度由22倍於當今值降低到8倍當今值的水平，這種二氧化碳的降低幅度足以引發大冰期。

終於，在大約3000萬年以後的奧陶紀末，冰蓋覆蓋了地球上的大部分區域，約85%的海洋生物慘遭滅絕。

與大冰期共同作用的還有海洋中的缺氧事件，非維管植物在佔領陸地的同時，還向岩石中釋放了大量的磷。磷元素對海洋微生物至關重要，如果海洋中磷富集，海藻就會大量繁盛，連鎖效應就是以藻類為食的生物也繁盛，這些生物將迅速消耗掉海水中的氧，進一步導致海洋生物的大滅絕。這種微生物繁盛所導致的缺氧事件在地層記錄中為大量的黑色頁岩沉積。

至此，終於找到了奧陶紀末大滅絕的終極殺手，最早登陸的微小陸生植物一方面分解岩石，加速岩石風化作用和對二氧化碳的吸收，同時釋放磷元素，促進海洋微生物大繁榮，雙管齊下，它們似乎要對海洋里無數生命的大規模死亡負上責任。儘管如此，這些植物在冰期發生期間可能毫髮無損，海洋里動物的滅絕難以影響陸地上微小植物悠哉悠哉的生活，當時的冰蓋主要位於地球的南極地區，而植物主要生活在熱帶區域。陸生植物世界繼續發展並且越發繁榮了。

中國廣西早泥盆世（距今約4.1億年）地層中發現的擬萊尼蕨類植物，注意圖中的比例尺為1毫米，植物呈二歧式或不規則的分枝，孢子囊著生於植株的末端，直徑約0.4 mm，植株整體不超過1厘米。最早登陸的植物就和它們差不多，它們和苔蘚類植物親緣關係最接近。（圖：徐洪河）

到了泥盆紀（距今4.2-3.6億年），陸地景觀發生顯著改變的時期，植物界出現了除了被子植物以外所有的類型，各種高大的蕨類植物，低矮的草本型蕨類植物幾乎佔據了當時所有的陸地，大規模的森林也首次出現，最早的四足動物也開始逐漸登上了陸地。

地球上最早森林的代表性植物之一，古羊齒（Archaeopteris），營孢子繁殖，但是莖幹的解剖結構非常類似於裸子植物，其最大高度可達30米，廣泛分布於泥盆紀時期的各大古陸。（圖：化石網論壇）

泥盆紀繁盛的各種陸生植物擁有龐大的根系，這些根從岩石中吸取養分，改變了岩石的化學組分，加快了岩石的風化作用，再加上植物本身對大氣二氧化碳的吸收。地質歷史時期大氣二氧化碳濃度第二次大幅降低就發生在泥盆紀，促成這些事件的原因已經不是奧陶紀那些簡單低矮的苔蘚類，而是多種多樣的蕨類植物所構成的陸生植物群，新一場大冰期和海洋生物大滅絕如期到來。

歷史如此相似，早期陸生植物再一次輕易地啟動了地球冰箱的開關。

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