质疑盖娅假说7——进化上的革新和环境变化
七、 进化上的革新和环境变化
下面探讨生命对地球的影响到底是怎样一种影响。本章不考察源自生物之外的变化，如冰期/间冰期更替，小行星撞击等。本章只考察因为进化革新而产生的新生命形式带来的对环境的改变：新产生的生物体，带着新的操控环境的手段，会引发环境何种变化。我们考察两种因进化而产生的生命革新：光合作用的出现、植物的登陆。
从盖娅的角度说，生物导致的变化是最值得关注的，因为在这个视角里，“生物让世界更适合生物生存”的断言最能得到有意义的判断。按照盖娅的看法，因进化而产生的生命革新总会使环境更稳定、更友好。所以，我们有必要考察两个重大的进化革新，看它们是否都使环境对生命整体变得更加有利。
7.1 地球大气变成氧化性大气
生物对地球的最大规模影响是产生了富含氧气的大气。氧气具有高度反应活性，能和许多岩石里的物质和火山喷出的气体发生反应，但尽管如此，氧气却大量存在，这点本身像是一个谜。
7.1.1 谁产生了氧气
最早的生命一定是通过无机物的化学反应而获得能量的，它们一直生活到这些无机物被消耗殆尽的地步。然后，有的生物开始利用阳光为能源，产生出存储阳光能量的生物分子（如糖类），这是非常重要的一次革新，因为阳光几乎是永不枯竭的能源。
最早利用阳光的光合作用可能还不是产生氧气的。至今都还存在以硫化氢、氢气为反应原料的光合作用。不过，进化很快就优选出了一个我们今天更熟悉的化学反应，即“二氧化碳 + 水 → 糖类 + 氧气”，这是把太阳能转化为化学能的最成功途径。从此，氧气不断产生，直到今天。
7.1.2 何时产生了氧气
各项证据（包括大规模氧化铁(+3价)沉积层）都指向一个时间，那就是24亿年前。
7.1.3 氧气出现对地球宜居性的影响
一个最有利的影响是推动了真核生物的产生。
原核细胞大部分都小于2微米，而单细胞真核生物则具有2—100微米的尺度。虽然我们不知道真核生物产生的具体时间，但可以肯定它不会离“大氧化事件”太远，应该在27—21亿年之前。到15亿年前时，已经有真核生物存在的很明显的证据了。由于真核生物含有线粒体这个利用氧气的细胞器，所以真核生物不会出现在氧气变充足之前。另外真核生物更加不耐紫外线，它也必须要在氧化性大气的一个产物——臭氧层产生之后才能获得进化发展。
但是对于当时的生物而言，氧气的产生不是好事，而是大灾难。氧气对于之前繁衍生息的厌氧生物是有毒的。氧气达到一定浓度时，这些生物就被毒死了。
除了中毒外，氧气还给厌氧生物造成了第二个困难，那就是需氧生物在代谢效率上有比厌氧生物更大的优势。摄入同样能量的食物，在有氧代谢时单位食物产生的能量明显高于无氧代谢时产出的能量。这种代谢优势让需氧生物得以在各个有氧的环境中排挤掉厌氧生物。
氧气的出现使得能利用氧气的生物进化出来。但最早第一次释放出氧气的生物却不在利用氧气的生物之列，它们自己把自己局限进了少数偏僻的无氧环境里。
第三，氧气的出现影响了气候。甲烷等温室气体因被氧化，从大气中消失。就在此时，地球出现了第一次大规模的冰河时期（休伦大冰期，24-21亿年前）。
7.1.4 大氧化事件符合盖娅假说的观点吗
如果你预先把真核生物的出现贴一个“进步”的标签，那么氧气的产生可能是件好事。但是，对于当时的生物而言，氧气带来的却是灾难。之前统治世界各地的厌氧生物，现在只能居住在少数无氧的“保留地”内。
那么这个由生物自身制造出来的变化，是不是对生物的生存有利呢？可能判断前提有不同，会得出不同的结论。不过就当时的生物来看，这个变化显然是不利的；如果“事后诸葛亮”，似乎又觉得它对生物整体有利的，因为产生了更复杂、利用能量更高效的真核生物。
7.2 植物登陆吸掉二氧化碳
地球生命造成的第二个大革新就是陆地披满植被。从生命诞生之日起，生物一直只生活在水中，这种情况持续20余亿年。“登陆”顶多只是某些绿色的藻类附着在海岸岩石上。
7.2.1 植物登陆何时发生，发生在哪里
植物登上陆地不是只出现过一次，蓝细菌和藻类都先在陆地上发展过。在4.5亿年前，苔藓植物出现在陆地。之后就是一批有一定高度的树木在陆地上繁衍。从“影响气候能力最强”的角度看，要关注那些含有大量木质素（树干）的有根的植物体（树木）。生成树干（由木质素构成）会消耗大量的二氧化碳，而树干进化出来的原因就是让植物能用体高来争夺阳光。为了配合树干高度的增加，同时还产生了把水送到树冠的维管体系，以及锚定大地、避免被自重或侧推力推倒的巨大根系。最早的树木和森林出现在3.85—3.70亿年前（泥盆纪中到晚期）。1870年在纽约州发现了8米高的木质蕨类植物的化石，包含树冠和树干。接下来的2000万年里，树木进化出了更深的根系，获得了把水送到更高树冠的能力，又产生了新的繁殖技巧（种子），能将后代散布到更加干旱的区域，森林面积变得越来越大。
7.2.2 树木和森林对大气二氧化碳的影响
虽然在地质史上，树木的出现时间相对较晚，但它们一旦出现，就极大地改变了地球气候。当地层中开始大规模发现树木化石时，同样的地层也记录了大气中的二氧化碳不断减少的过程。由于我们已经找不到几亿年前的冰芯，二氧化碳减少是通过间接证据推定的，比如植物化石的气孔越来越多，海洋中形成的碳酸钙里的碳同位素比例发生改变（反映的是以有机物形式存在的碳被掩埋的情况），土壤碳酸盐中碳同位素比例发生改变，以及和气候变冷有关的其他证据。
7.2.3 源自二氧化碳的植物机体被掩埋导致大气二氧化碳净减
有两个原因导致大气二氧化碳净减。一是巨量植物机体被掩埋，二是（下一节叙述）硅酸盐风化速度增大。
虽说植物总体的碳存量（约600吉吨）远小于大气及海洋中的碳存量（40000吉吨）。但是年复一年的植物机体被掩埋而不再露出，就可以逐渐改变大气二氧化碳水平。这里的关键是“不可逆”：若有机体暴露于细菌中被分解后，又会变成同量的二氧化碳回大气中；但如果有机体被封闭进近新形成的岩石中，这些碳就会被隔离住，很长时间都不能返回大气。
在泥盆纪中到晚期和石炭纪里（约3.8-2.5亿年前），有巨量的二氧化碳因变成被有机体然后被掩埋，而脱离了大气层，据分析失去的二氧化碳总量达4百万吉吨。这个过程发生的地点基本是在水中：植物残骸掉入水里，石化变成泥炭或煤。
也有其他进化优势助长了这个长期都在发生的碳被掩埋事件。比如在生物界内，产生木质素的能力和降解木质素的能力（有的真菌能降解木质素）出现时间就差错了几百万年。分子钟证据显示，有一些因素阻碍了降解木质素的酶的快速进化。
光合作用吸收二氧化碳是一个方面，放出氧气又是另外一个方面。和大规模有机碳掩埋同时进行的是氧气的大量集聚。这时地球上就开始有了火，火烧毁树木会形成焦炭。从泥盆纪到石炭纪到二叠纪，都形成了大量的焦炭化石，当时大气含氧量达到25% 。这么高的含氧量也支持了大型昆虫的出现（昆虫输氧效率低于有肺的动物），如翼展达半米的蜻蜓，体长1米的百足虫等。
7.2.4 风化加剧大气二氧化碳消耗
陆生植物的庞大根系（及其共生的真菌）会分泌有机酸，以便从土壤中萃取出营养物质。这些有机酸会加剧了硅酸盐岩石（或其土壤碎屑）的风化。
风化，简单地说就是“硅酸钙 + 二氧化碳 → 碳酸钙 + 二氧化硅”。风化越剧烈，二氧化碳损失就越大。【有机酸酸度一般大于二氧化碳（碳酸），其与硅酸盐反应生成二氧化硅的速度更快，有机酸盐也是含碳元素的化合物，是植物分泌的，最初也是从二氧化碳来的。】
有机碳掩埋，硅酸盐岩石风化，都会把二氧化碳消耗掉。生物自身进化出的木质和庞大根系是消耗二氧化碳的根源。
7.2.5 二氧化碳减少对地球宜居性的影响
和盖娅所以为的相反，二氧化碳下降总体上对于生命是有害的。比如植物登陆后，地球上就反复出现冰河时期。在3.7—3.2亿年前（晚期泥盆纪到早期石炭纪），全球大气二氧化碳量大幅跌落（从4500 ppm跌落到500 ppm），温度也随之跌落。
这种气候改变对生命是不利的。地球温度变得更低，引起的冰河时期导致了泥盆纪中晚期的大灭绝（灭绝持续时间跨越2000—2500万年，由先后几轮灭绝事件组成），其中40%的海洋生物属灭绝。而石炭纪又是一个大的冰河时期，冰盖从极低延伸到了30度纬度。
二氧化碳陡降后，植物为了获得足够营养，开始进化出大的树叶，吸收二氧化碳的能力进一步提高。
7.2.6 植物布满大陆的后果支持了盖娅假说吗
不支持。二氧化碳含量下降，全球冷化，总体上对生命不利。
7.3 结论
进化对于环境的影响，可能是有利的，也可能是有害的。本章所述事实表明进化上的革新并非该删了宜居性，并不支持盖娅假说。
