植物对二氧化碳的控制

自从地球上出现光合生命以来，植物可能对大气中的二氧化碳水平产生了很大的影响。绿色细菌，尤其是蓝绿色细菌，是现代绿色植物的前身和远亲，大约在35亿年前开始在海洋中传播。它们是氧气的来源，喷出这种高度反应性的腐蚀性气体，它给了我们生命，但对许多更原始的细菌来说却是一种毒药。与此同时，这些光合作用生物充当了碳的陷阱，但不是像今天的森林那样，因为在任何时候，世界上所有绿色和蓝绿色细菌中储存的活碳都非常少。相反，它们把碳留在碎片中，埋在沉积物中的死亡细胞在数百万年的时间里累积起来，从大气中吸收了大量的二氧化碳。在世界各地的沉积岩中仍然散布着大量的有机碳，主要是由海藻储存在那里的。所有这些加起来，碳的含量比目前大气中的二氧化碳含量高出许多倍。就像被深埋的碳储层随着时间的推移，体积不断增大，大气中的氧气浓度也会上升。这是因为没有埋在岩石中的碳往往会在大气中以二氧化碳的形式积累起来，既保留了碳也保留了氧。当更多的碳被埋起来时，氧气就被留下了。如果所有被植物固定的死碳都能迅速氧化回二氧化碳，光合作用中留下的氧气就不可能在大气中积聚——因为当死亡的植物细胞腐烂并氧化回二氧化碳时，这将吸收与光合作用最初释放的相同数量的02。仅靠植物的活生物量和地表土壤中的死碳来平衡，大气中的氧气浓度会低得多:远低于1%。事实上，由于大部分有机碳在地表以下无法接触到，氧气积累到非常高的水平——占大气的五分之一。

岩石中埋藏的有机碳储层很可能也经历了显著的波动，有时储存额外的碳，有时释放碳。与火山喷发和风化作用带来的二氧化碳变化不同(见下文)，有机碳储层的这种变化与氧气浓度的变化是平行的，因为从岩石中释放的有机碳总是倾向于与大气中的氧气反应形成二氧化碳。因此，从岩石中释放的碳消耗了大气中的氧气。一些计算结果是这样的

模型测量

GEOCARB三世■Royer编译

我6000年

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图7.3。

用不同的方法估计了过去几亿年来大气中的二氧化碳浓度(显生宙的二氧化碳)。来自:

两三四亿年前

罗杰·罗德，以d·罗耶命名。

两三四亿年前

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我6000年

3 5000 Hi

4000

C 3000 o

1000

25人工智能

模型测量

■Royer编译

图7.3。

用不同的方法估计了过去几亿年来大气中的二氧化碳浓度(显生宙的二氧化碳)。来自:

4.5亿年前，大气中的氧气浓度只有15%，而不是现在的21%，因为当时存在的各种岩石中含有的有机碳太少了。当时大气中的二氧化碳浓度大约是现在的15到20倍(图7.3)。在接下来的数千万年里，陆生植物从海藻进化而来，遍布各大洲。它们在沼泽河三角洲形成了第一片森林，并将未分解的碳沉积为泥炭。其中一些泥炭层被压缩成煤，而另一些则被冲走，成为深海海底沉积物的碎片。研究岩石化学平衡的地质学家(地球化学家)认为，陆地植物未腐烂的部分从大气中吸收的大量碳足以使大气中的二氧化碳水平下降到与现在类似的水平。例如，在当时的一般环境中，碳-12同位素的丰度大幅下降，而碳-12同位素在光合作用中优先被植物吸收(见第八章)。这表明植物吸收了大量的碳——尤其是碳-12——并最终以未腐烂的有机物质的形式存在。相比之下，在大约3亿到1.5亿年前，氧气的水平可能是25%，甚至30%，因为在光合作用中分离出来的大量氧气无法在衰变中与碳重新结合。氧含量的波动会对地表的生命产生各种有趣的影响。例如，它们会影响火灾在植物材料上发生和蔓延的容易程度。 At 15% oxygen, it is hard to sustain a fire even on dry material, whereas at 30% oxygen even moist plant tissues will burn. Some geologists have claimed to find evidence of these fluctuations in oxygen in the form of changes in the frequency of charcoal layers in rocks laid down during the past several hundred million years. For example, the coal swamp forests that existed around 350 million years ago may have at least partially burned every 3 or 4 years. 0thers suggest that there are too many complexities affecting the likelihood of preservation of charcoal to reach any meaningful conclusions about fire frequency. It is also rather difficult to explain the existence of forests at times when the atmospheric oxygen level was supposedly around 30%. At this sort of concentration, a single lightning strike in even the moistest forest would cause it all to be consumed by fire, and it is rather unlikely that forest anywhere in the world would be able to grow and reach maturity. Yet, throughout the past 350 million years there is evidence of forests having existed; so, we can at least say that some of the uppermost estimates of past oxygen concentration are probably wrong. On the other hand, some independent evidence that oxygen levels were at least somewhat higher around3亿年前来自于巨大的飞虫的存在，比如蜻蜓的翼展有70厘米。计算表明，在我们目前含氧21%的大气中，这种昆虫不可能存在，因为它们体内的呼吸管(称为气管)向肌肉供应氧气的速度有限，它们无法获得足够的氧气来维持活跃的生活方式。大气中更多的氧气也会增加空气的密度，使这种巨大的有翼昆虫更容易将自己保持在空中。

继续阅读:培养二氧化碳和整株植物的实验

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