假如地球上没有光合作用

图片发自App

假如地球上没有光合作用会发生什么？那么从太空望向地球，地球就不可能是蓝色的，因为那时地球上不可能有海洋。没有光合作用，就不会有氧气；没有氧气，就不会有太阳的紫外线照射到氧气后产生的臭氧；没有臭氧，紫外线就会直接入射到地球表面，哪怕地表有再多的水，都会因为被紫外线直射，分解成氢气和氧气。可能您要说，这样不就又产生氧气了吗？不是这样的，因为分解水产生的氢气体积远远大于氧气，氧气只是少量的，这些少量的氧气不会有机会在空气中积累，它会和周围地表里的物质首先反应，比如岩石中的铁就是吸氧大户，吸收了氧气后的土壤和岩石会变成红色。氢气作为最轻的气体开始往上飘，最后散发到宇宙空间中。这个过程虽然可以很慢，很微弱，却是不可逆的，所以只要时间足够长，地球上不论有多少水都会以这种方式流到宇宙空间中。这种情况并不是一种思维假设，它真切地发生在火星上。火星就是一颗遍布被氧化的含铁岩石的星球，火星的地表是红色的，没有海洋，也没有生命迹象。

但光合作用产生的氧气效率比紫外线照射水产生氧气的效率高，量还大，以至于到了最后，所有岩石里的铁、海洋里的硫、空气里的甲烷都被氧化了，能和氧结合的物质都被氧占满了，可还是有更多的氧进不到物质内部，那就只好充斥到整个地球大气中，或者溶于海洋，一旦氧气以这样的浓度就位，地球这个行星上的水就很难再逃到宇宙中去了，即便有氢从水中释放出来，在飞出地球的路上也会被无数氧截获，重新变成水落回地面。海洋的水分就这样保住了。

氧气对生命而言是必需的吗？其实并不是。很多细菌就不需要氧气，它们被称为厌氧菌，比如破伤风杆菌只能进行无氧呼吸，酵母菌既可以在有氧环境下生存，也可以在完全无氧的环境下生存，我们口腔里也有大量厌氧菌存在。细菌几乎可以利用任何东西产生能量，比如给它们一些硫酸盐之类的物质，它们也能通过反应生成能量过活，但这种方式产生能量的大小和有氧参与的化学反应产生的能量差太远了。所以复杂的活动或者能量需求大的活动只能采用有氧呼吸的方式产生能量。这两种能量产生方式的差异有多大呢？比如葡萄糖，如果进行无氧呼吸，效率值是2%；如果进行有氧呼吸，效率值是40%。两者相差20倍。这会导致食物链层级上的巨大差别。比如鹰吃蛇，蛇吃青蛙，青蛙吃蚂蚱，蚂蚱吃水稻，这条食物链一共4个层级，每一级的生物都做有氧呼吸耗费能量，那么它们利用下一级能源的效率就是40%，所以在上面的例子中水稻产生的能量只有2.56%被鹰利用了。这个比例虽然不高，但还可以维持住食物链，因为这种情况我们在自然界经常见到。但如果每种生物都采用无氧呼吸，每一级的效率只有2%的话，如果食物链也是4级，那么水稻产生的能量只有625万分之一可以被鹰利用。除非地球上水稻是现在的几百万倍才能让鹰吃饱活下来，否则食物链就会消失。所以，如果没有氧气，捕食这种耗能大的行为对生存来说是不划算的。

捕食行为出现后，捕食者和被捕食者之间就会产生类似军备竞赛一样的竞争，被捕食者会出现硬壳，身材会变大，大到捕食者看到体形就放弃的地步。捕食者同样也会出现锋利的牙齿，身材也会逐渐增大。有了氧气，捕食的行为才有价值，有了捕食者，体形变大才有必要，所以有了氧气，就会产生大体形的生物。最终这种生物军备竞赛会因为碰触到有氧呼吸效率的上限而停止。地球历史上大气中含氧量变化很大，虽然有很多不同模型估测含氧量，但大致结论是一致的：从5亿年前到今天，含氧量变化从12%到35%，当前是21%。从石炭纪开始含氧量大增，一直持续到二叠纪，35%的含氧量也让那段时期海洋中鱼类尺寸大增，尺寸超过2米的鱼很常见，昆虫尺寸超过1米的也非常多。比如古蜻蜓翅膀展开有80厘米，现在只有8厘米；那时候深海蝎有2.4米；远古的蜈蚣，化石是2.6米，现在只有20厘米；还有现在被称为“活化石”的鲎，也有2米多直径，而现在大约只有十几厘米。这些夸张的体形一部分是拜含氧量超高所赐。

光合作用诞生之初只是一种高效获取能量的方式。一米多高的生物拥有一套光合作用器官，就可以产生20瓦左右的功率了，这是一件很美好的事情，在此之前想长到这么大尺寸是不可能的。但是这种产生能量的方式会产生大量氧气。在生命诞生之初，整体还都是厌氧菌的时候，氧气就是毒气，很多细菌无法生存在有氧环境中。那时排出氧气就和现在某些工厂把大量硫化物、硝化物，还有被污染的脏水直接排到环境中是一样的。这部分生物往环境中排放氧气，所以最终导致整个地球上厌氧菌大面积灭绝，只有少数幸运者存活了下来。当时那些往空气中排放氧气的生物现在还活在地球上，它们就是蓝藻。而利用光合作用的植物也大都进化到白天通过光合作用、晚上靠呼吸作用产生能量。

石油煤炭的燃烧会消耗大量的氧，但是我们始终没有担心这样做会导致氧含量的下降，因为地球上碳的固定主要是通过岩石完成的，岩石中固定的碳远远多于生物体内。科学家做过计算，从1840年起，人类就开始疯狂地从地下把煤和石油挖出来，甚至到了后来把天然气也取出来燃烧，但到今天为止持续烧了170多年，我们也仅仅把地球大气中含氧量降低了百万分之三。由此可见这么多年积累的氧气的量是多么巨大！

地球上生物的变化总是值得关注的。当我们谈起古生物、大灭绝、氧气含量反复上下波动、冰河时期来来回回，最严重的时候连现在的北京地区都冻在2公里厚的冰层下面了，最温暖的时候南极都没有冰层覆盖，这些信息给人的感觉是：地球是一个特别动荡的环境，无论哪种生物在地球上都时时刻刻面临灭绝的风险。但如果能把地球生物的变化浓缩成一天，从地球形成开始，让你24小时一直盯着看地球上的变化，那你大部分时间都会觉得无聊。过了2个半小时已经有细菌出现，但由于细菌太小，你不会察觉，还以为什么都没有发生。等到你第一次察觉出现变化了，已经过了11个半小时，如果这段时间你刚好去了趟卫生间，那么等你回来就会发现地球上的海洋突然被蓝藻覆盖。然后渐渐出现了动植物，这些生物在大多数时候并没有太大改变，大约每隔1～2个小时生物出现一次大轮转，之前的那些生物都不见了，全球的生物马上会被全新的物种代替。这个变化既随机又短暂，通常只需要八九秒就完成了旧物种的灭绝和新物种的诞生，一不留神就会错过看这些大戏的上演。在这八九秒的时间里，所有影响整个地球生命的剧烈活动，比如火山、地震、氧含量变化、结冰区域的变化、海水酸碱度变化、全球气温变化都会在这短暂的时间里完成，它们是突然剧烈变化，此后又会维持相当长一段时间的稳定和不变化。所以在生命史上，不怎么变化才是常态，每次变化都是短暂又剧烈的。在人类出现后虽然对地球气候产生了很大影响，但这种影响相比于地球历史上曾经出现的变动来说还是微不足道的。