古生物学家保罗·奥尔森说,其利害关系很高。二氧化碳应该存在于大气中还是深海中?地球应该是热的还是冷的?
对大多数人来说,看到羚羊在草地上悠闲地吃草,会让人联想到大自然的和平平衡。但纽约拉蒙特-多尔蒂地球观测站的古生物学家保罗·奥尔森(Paul Olsen)却看到了不同的景象。在他看来,那片草地只是动植物之间这场原始斗争的最新战场。奥尔森声称,这场战争已经产生了全球性的影响:在过去 4.5 亿年里,随着战线的来回推进,它通过改变大气中的二氧化碳含量,将地球的气候也一同拖累了。
在地质时期,地球的气候首先也最重要的取决于二氧化碳,二氧化碳会捕获热量并产生温室效应。空气中任何时候存在的二氧化碳分子都是一个涉及整个地球的巨大循环的一部分。火山不断排放二氧化碳,二氧化碳溶解在大气中的水滴中形成碳酸,然后作为雨水落到地面。碳酸与岩石反应,释放出碳酸氢根离子,这些离子流入河流并最终汇入海洋——这一过程被称为风化。在海洋中,浮游生物利用碳酸氢根来构建碳酸钙外壳。当它们死亡并沉降到海底时,它们的外壳就变成了石灰石,碳也就返回到了固体地球。
陆地植物可以通过加速风化来改变这个循环。它们通过两种方式做到这一点。当它们通过光合作用制造有机物质时,它们会吸收二氧化碳,从而提供了二氧化碳离开大气的另一条途径。一部分二氧化碳通过植物根部通过呼吸作用排出,其余的则在植物死亡并被细菌分解时释放出来。二氧化碳与土壤中的水反应形成碳酸——风化剂。今天风化作用所需的大部分碳酸都来自土壤,而不是雨水。土壤本身也是由分解的植物产生的,它以第二种方式加速风化:它像海绵一样吸收碳酸,并使其与岩石保持密切接触。
尽管风化作用在没有植物的情况下也会发生,但最好的猜测是,植物将这个过程加速了十倍。一些研究人员早就认为,陆地植物的进化因此一定对气候产生了深远的影响:通过从大气中移除碳并将其放入深海,植物减弱了温室效应,使地球降温。
但五年前,当奥尔森准备在哥伦比亚大学教授一门关于恐龙的课程时,他开始想,气候研究人员是否遗漏了一半的信息。他说,动物在任何关于长期气候变化的理论研究中都被完全排除在外。人们一直认为食草动物对植被没有大规模影响——然而奥尔森说,任何研究过现代生态系统的人都知道这种说法是错误的。山羊可以将茂密的岛屿变成光秃秃的土丘。大象吃掉或推倒了如此多的树木,以至于它们可以将茂密的丛林变成开阔的森林。
这种破坏性并非现代才有的:恐龙可能是曾经生活过的最庞大的食草动物。如果植物的繁盛对地球气候产生净冷却作用,奥尔森意识到,食草动物的繁盛应该会产生相反的效果。食草动物越多,植物就越少,岩石风化的速度就越慢。岩石风化速度越慢,空气中就保留越多的二氧化碳。空气中保留的二氧化碳越多,气候就越变暖。他说,这显然是一个我无法排除的理论。你就是这样走上这些道路的。你想排除它,但你做不到,所以你必须去探索它。
奥尔森的探索现在让他提出了一个涵盖了整个陆地生命史而非仅仅恐龙的假说。在他看来,食草动物进化以吃植物,植物进化以躲避食草动物,而食草动物又再次进化。随着双方势均力敌,它们会改变风化速率,而这又会引导地球在温暖和寒冷的气候之间摇摆。奥尔森说,这一情景的证据保存在岩石记录中——化石显示了不同地质时期动植物的丰度,同位素指示了当时空气中的二氧化碳含量,以及追踪冰川前进和后退的地层。
这场战争大约在 4.5 亿年前悄然打响,当时植物首次入侵陆地。最早的原始地衣和苔藓类物种繁殖缓慢,没有根,因此没有引起太多风化。然而,在大约 4 亿年前,维管植物进化了。它们能够通过根部从地下提取水分和养分,并将它们输送到直立树干的顶部。这使得它们能够征服更干燥的土地。
叶子和种子紧随其后,它们更是促进了植物的繁盛。到 3.5 亿年前,树干直径达三英尺的树木已经覆盖了世界的许多地区。植物繁盛的一个迹象是,从古生代晚期保存下来的煤炭——在沼泽中被掩埋和压缩的植物残骸——数量巨大。煤炭的形成本身有助于从空气中去除二氧化碳,但植物引起的风化作用消除了五倍多的二氧化碳。在森林变得普遍之后不久,地球就陷入了长达 3000 万年的寒冷期。
但为什么植物在古生代如此繁盛呢?奥尔森说,一个原因是当时还没有东西可以吃它们。脊椎动物大约在 3.6 亿年前首次登上陆地,但几乎无一例外它们都是食肉动物:爬行动物和两栖动物以鱼类、昆虫或其他同类为食。进化出能够消化陆地植物的消化系统——包括磨牙、共生肠道细菌和强大的胃肠道——并非易事,爬行动物显然花了数千万年才做到这一点。
然而,一旦它们做到了,回报是巨大的。第一批食草动物出现在 3 亿年前,到 2.6 亿年前,化石记录显示生态系统已经转变为我们熟悉的生态金字塔,顶部是少数食肉动物,底部是大量的食草动物。随着食草动物大肆吞食植物,煤炭的形成几乎停止了。与此同时,奥尔森认为,风化作用必然急剧减缓,导致大气中保留了更多的二氧化碳,并使地球变暖。事实上,岩石记录表明,冰川和极地冰盖正在消退,而食草动物的数量却在增加。
在接下来的 2 亿年里,地球笼罩在热浪之中,而植物则在食草动物的攻击下苦苦挣扎。起初,树冠(树木通常将它们的生殖器官放置在树冠处)幸免于难,因为爬行动物是粗壮的四足食草动物。但大约在 2.2 亿年前,高大的恐龙出现了,有些是双足的,有些是长颈的。当植物长得更高时,恐龙的脖子也变得更长。
随着植物发明了花,平衡再次开始转变。开花植物(称为被子植物)拥有封闭的生殖系统和坚韧的种子,这使它们能够比它们的祖先繁殖得更快。最初,在大约 1 亿年前,它们是生活在边缘地区的小灌木。到 8000 万年前,它们迅速在森林的林下蔓延。像三角龙这样的新的地面食草恐龙进化出来以它们为食,但被子植物继续在景观中爆炸式增长。与此同时,地球的温室效应开始降温。
我们永远不会知道恐龙是否能够击退被子植物。许多地质学家现在相信,6500 万年前一颗彗星撞击墨西哥海岸,产生了覆盖全球的尘埃和硫酸液滴,杀死了大量的植物,以至于以它们为食的动物都饿死了。恐龙和其他许多动物就此永远消失了。
奥尔森指出,撞击本身只会导致几个月的降温——然而气候实际上却持续降温了数百万年。他说,如果你消灭了所有的食草动物,你就把时钟拨回了零。快速生长的被子植物从撞击中恢复过来,并且由于没有草食性恐龙来打扰它们,它们最终创造了巨大的森林。风化速率再次加快,更多的温室气体转化成了石灰石。
现在,哺乳动物不得不像 3 亿年前的爬行动物一样,经历同样的进化追赶游戏。直到恐龙灭绝后 1000 万年,现代食草动物如野牛、马、大象和兔子的祖先才出现。一旦它们出现,气候就经历了一个相对短暂的变暖期。热带森林向更高纬度扩张,尽管地球上的植被总量在减少。
与此同时,植物界却发现了它最新也是最强大的武器:草。草可以通过克隆或具有抗旱和抗寒特性的种子迅速传播,而且有些草比其他植物需要更少的水和更少的光。草的食物也很差,因为它的叶子富含硅片。哺乳动物不得不进化出新的设备来处理这种粗糙的食物,例如耐磨的牙齿和多腔的胃。在奥尔森看来,它们还没有赶上植物。当草在 2000 万年前广泛传播时,地球滑入了当前的冰河时代周期。
这是一个优雅的假说,但它是真的吗?收集证据以确定这一点可能需要数年时间。奥尔森自己说,我不知道食草动物是否会抑制风化作用。我只在化石记录中看到了时间上美丽的巧合。其他影响碳循环的因素,如山脉的形成(暴露更多岩石进行风化)或火山喷发,可能比植物-食草动物的战争对气候产生更大的影响。
但如果奥尔森是正确的,那么对未来的影响可能是深远的。毕竟,我们人类是自恐龙以来最强大的植物破坏者。在短短的地质时间内,我们已经用我们收获的作物(从而阻止了其大部分碳进入土壤)、我们放牧牲畜的牧场以及我们用砍伐的树木建造的房屋,取代了地球上 40% 的野生植被。奥尔森说,在数千年或数万年的时间里,我相信我们对风化作用的改变所产生的影响,比燃烧化石燃料产生的二氧化碳排放量更大、更重要。














