最近，我一直在尝试想象一个没有叶子的世界。在这个一年中的这个时候，我房子周围的树木把我的窗户变成了绿色的墙壁，所以很难想象。但今天在《美国国家科学院院刊》在线发布的一篇论文激发了一些尝试。一支英国科学家团队回顾了地球约 4 亿年前的景象，那是一个叶子还没有进化的时代。植物已经在陆地上生长了至少 7500 万年，但它们只不过是生长在潮湿地面上的苔藓和地钱，以及一些高达几英寸的原始维管植物。真正的叶子——像天然太阳能电池板一样的扁平组织——几乎无处可见。
想象一下这个泥泞、光秃秃的世界就已经够奇怪的了。更奇怪的是，当时的植物已经拥有了长出叶子的基因潜力。有些绿藻——植物的进化起源——在 4.5 亿年前就长出了半英寸的叶状片。在 4 亿年前的植物化石中发现了微小的芽状叶子。尽管拥有生长叶子所必需的细胞设备，但植物直到大约 3.5 亿年前才大量长出全尺寸的叶子。当它们最终变得枝繁叶茂时，第一批树木出现了，并孕育了最早的森林。从那时起，叶子就主宰了地球。它们每年捕获足够的二氧化碳，形成数百万吨的生物质，随着根部吸收水分，数万亿加仑的水通过叶子蒸发。
为什么叶子花了 5000 万年才发挥其基因潜力？显然，它们不得不等待。
研究人员指出，植物通过其表面上称为气孔的复杂通道吸收二氧化碳。活着的植物可以调节其叶片上生长的气孔数量。如果你在充满二氧化碳的温室中种植它们，它们会长出明显更少的气孔。这是因为植物可以通过较少的气孔蒸发来获取生长所需的相同量的二氧化碳。
地质证据表明，4 亿年前，大气中的二氧化碳含量很高——大约是人类在 19 世纪开始推高之前的十倍。（19 世纪初为百万分之 280，今天为百万分之 370，预计到 2050 年将升至百万分之 450 至 600。在泥盆纪早期，约为百万分之 3000。）与活着的植物一致，早期泥盆纪的化石植物在其无叶的茎上气孔非常少。
为什么这些早期植物不长出大量气孔少的叶子呢？如果它们长出来，它们可以生长得更快更高，最终产生更多的后代。但科学家们指出，一片大叶子在阳光下有被过热的风险。使叶子降温的唯一方法就是——再次——气孔。当水通过这些通道蒸发时，它会冷却叶子，就像汗水冷却我们的皮肤一样。早期的泥盆纪叶子无法“出汗”，对植物来说将是一种负担，而不是一种恩惠。
然而，大约 3.8 亿年前，二氧化碳水平开始下降。在接下来的 4000 万年里，它们下降了 90%，几乎接近今天的水平。二氧化碳的下降也带来了温度的下降：地球冷却到足以让冰川出现在两极。在今天发表的论文中，科学家们描述了植物在此期间发生的变化。两类不同的植物——蕨类和种子植物——开始长出叶子。随着时间的推移，叶子变得越来越长、越来越宽。与此同时，叶子中的气孔密度越来越高。从 3.8 亿年前到 3.4 亿年前，它们的密度增加了八倍。看来，二氧化碳和温度的下降将叶子从负担变成了恩惠，世界也因此变得翠绿。
有可能植物本身最终要为叶子的出现负责。在叶子进化之前，植物上出现了根。与只能吸收地面水分的苔藓和地钱不同，有根的植物可以寻找水分以及其他营养物质。它们的探索侵蚀了岩石，并积累了土壤。植物每年暴露出的新鲜岩石会与溶解在雨水中的二氧化碳发生反应。其中一些碳通过河流被带到海底，无法再重新进入大气层。换句话说，根从大气中抽走了二氧化碳，并促成了叶子的进化。叶子的进化反过来又导致了高大树木的兴起，它们可以捕获更多的碳，进一步冷却气候。显然，我们不是第一个操纵地球恒温器的生物。
