第九章 白地球 雪球-温室循环 地球年龄：37亿年到40亿年.2
这样看来，严重的雪球-温室循环最终在现代世界的演化中扮演了核心角色。公平地说，我们多细胞生物的存在甚至都要归功于8亿年前的那一刻，当时地球达到了气候临界点，而在此之前的10多亿年时间里，稳定的阳光和吸热的二氧化碳使地球保持温暖。当二氧化碳被赤道大陆新的风化作用迅速消耗掉，具有反射性的冰从两极扩散到赤道时，地球的温度在千百万年间骤然下降，直到稳定的二氧化碳积聚，引发了同样迅速而失控的温室效应，海底快速释放出的甲烷或许还加剧了这种效应。
这些混乱的雪球-温室循环也许比地球历史上其他任何事件都更能说明，一颗行星失去平衡了。变幻莫测的新元古宙气候直接导致了大气氧气空前地增加，这一转变为第一批动植物以及它们在大陆上的定居铺平了道路。有了这样的生物创新，处于演化中的地球很快就出现了许多新奇的物种，比如会游泳、挖洞、爬行和飞行的生物，它们占领了越来越极端的栖息地，发展出了更极端的行为。事实上，随着6.5亿年前富氧大气的出现，在地球漫长的历史上，你这位时间旅行者第一次能够站在古老特异的景观上大口呼吸，而不会痛苦地死去。这也是第一次，你兴许会找到一些绿色的烂泥勉强当作一顿饭，并避免遭受致命剂量的紫外辐射。
埃迪卡拉生物想象图
如今，我们再次进入一段气候剧烈变化的时期，正反馈似乎占了上风。具有反射性的冰川正在加速融化，露出越来越多的海洋和陆地，吸收更多来自太阳的能量。树木被砍伐焚烧，从而将更多二氧化碳排放到大气中，同时主要消耗二氧化碳的森林规模缩减了。也许最重要的是，从永久冻土和深海冰层中加速释放的甲烷可能会使全球温度进一步升高，更多甲烷的释放打破了平衡。如果说我们这个时代可以从地球历史中学到什么教训的话，那么新元古宙气候的突然变化当属前列。尽管雪球-温室的变化为生命进化开启了新的机会，但每一次气候转变都让几乎所有生物死亡。
[1] 湿冰指与水混合的半融化的冰。——译者注
第十章 绿地球 陆地生物圈的崛起 地球年龄：40亿年到45亿年（最近的5.42亿年）
板
块构造拯救了地球。地球内部的对流缓慢而无情地推动了赤道附近广袤的罗迪尼亚超大陆分裂成更易于控制的小块。大陆块向极地方向移动，赤道不再堆满积冰的陆地，极端的雪球-温室循环也得到了缓和。大量新生的光合藻类生命有助于缓和二氧化碳的剧烈波动，同时将氧气浓度提高到接近现在的水平。自此，地球再也没有像显生宙之前那样忍受全球性的极端温度了。
在过去的5.42亿年里，地球上至少发生了五种变化。大陆继续移动，先是闭合了一片海洋，形成另一个巨大的超大陆，随后大陆分裂，形成了仍在不断扩大的大西洋。气候经历着从热到冷反复多次的变化，尽管没有达到新元古宙的那种雪球-温室的极端状况。氧气经历了第三次大富集事件，大气中的浓度下降了一半，之后又回升。海平面也在反复地发生变化，这极大地重塑了地球的海岸线。岩石记录揭示了海平面无数次的上升和下降，通常多达几百英尺。但最引人注目的是，生命从根本上发生了不可逆转的改变与进化。在所有这些转变中，生命和岩石已然在协同演化。
地球一直是一颗变化的星球，但显生宙的故事尤为惹人关注。由于岩石记录更为广泛和相对稳定，因此这一时期的变化也显得更加精妙和清晰。了解这段迷人故事的关键是大量保存完好的化石，这是因为生命发展出了制造耐用硬件的能力，比如牙齿、贝壳、骨骼和木头。动植物对地球近地表环境的变化极其敏感，因此，它们的化石遗迹记录了一段又一段的适应过程。微生物几乎可以经受住任何风暴，适应性极强，而且它们形状简单、不易辨认，化石记录稀少，意味着在微生物统治下的前寒武纪，我们没有在岩石记录中发现明显的大灭绝事件。但显生宙则是一个完全不同的故事。
地球地质演化螺旋图。图片来自美国地质勘探局
因此，在过去的5.42亿年里，我们从一种全新的角度审视地球。地球不再是一颗在数千万年甚至数亿年中缓慢变化的行星，而是一颗快速演化的星球，每数十万年就会产生明显的差异。部分原因是，我们有了更详细的记录，但这也是生命的本质。动物和植物，特别是那些在陆地上定居的生物，对地球的循环会做出迅速的反应，它们要么快速进化，要么死亡。随着古老物种的灭绝，新物种取而代之。
世界皆是舞台
在过去的5.5亿年里，移动的大陆继续为地球及其日益多样化的生物群的演化提供变化的舞台。这个故事的基本梗概很好理解，就是一个相当简单的三幕剧。
第一幕：在5.42亿年前的寒武纪开端，罗迪尼亚元古宙超大陆分裂成数个巨大而散乱的碎片。最大的一片从南极一直延伸到赤道，这是巨大的冈瓦纳古大陆，它以印度一个对地质学起到促进作用的地区命名。现今全部的南部大陆，加上一大片亚洲地区，都属于这片巨大的陆地，它从北到南延伸超过8 000英里。其他的后罗迪尼亚大陆都位于南半球，包括劳伦古大陆的核心（今天的北美洲和格陵兰岛）和其他几个大岛（包括欧洲大部分地区）。北半球主要是一片全球性的海洋，几乎没有陆地。在接下来的2.5亿年间，板块将所有大陆向北移动。劳伦古大陆的面积增加了一倍多，先是与后来成为欧洲的那部分陆地合并在一起，然后又合并了西伯利亚很大一部分。
第二幕：大约3亿年前，向北移动的冈瓦纳古大陆与劳伦古大陆相撞，形成了最近的超大陆——泛大陆。冈瓦纳古大陆和劳伦古大陆合并产生的最壮观的地质成果之一是，北美洲和非洲之间的古老海洋闭合了，这次碰撞孕育了阿巴拉契亚山脉。今天的阿拉巴契亚从缅因州一直延伸到佐治亚州，看起来就像是一个相对平缓而圆滑的山脉。这种平缓起伏的地形展现了侵蚀的力量，在3亿年前，这里参差不齐的山峰不断升高，甚至高达六七英里，成为地球历史上最雄伟的山脉之一，可以与现在的喜马拉雅山脉相媲美。不平衡的泛大陆几乎把地球上所有陆地集中到了地球的一侧，四分之三的陆地位于南半球。一亿年来，被称为“泛大洋”（Panthalassa，希腊语意为“所有海洋”）的超级海洋包围着泛大陆。
第三幕：大西洋开辟于1.75亿年前，当时，巨大的泛大陆开始分裂成七大块。首先，劳伦古大陆和冈瓦纳古大陆断裂，形成了最初的北大西洋，大陆的裂痕不断向西北和东南延伸。南极洲和澳大利亚从冈瓦纳古大陆上分裂出来，并向南移动，形成了各自独立的大陆。南美洲和非洲西岸之间的裂痕形成了南大西洋，而印度则从非洲东岸断裂开来，开始了长达5 000万年向北行进的征程，最终冲入了亚洲，形成了喜马拉雅山脉。
在这段漫长的历史中，不同的大陆都在匆忙地四处奔跑，结成伙伴，然后又分手，就像人类上演的戏剧一样。想要看到这场全球戏剧，只要在谷歌搜索“泛大陆动画”即可。在你观看的同时，别忘了，变化的大陆也带来了地球的其他改变。更长的海岸线促进了浅海更多生命的发展。极地的大陆促进了厚厚的冰原的形成，这反过来又降低了海平面。在更大的陆地上，生命在激烈的竞争中进化，但在孤立的大陆上，或在相距甚远的海洋中，进化是分别进行的。山脉和海洋的位置改变了气候。纵观历史，就像今天一样，地球上所有巨大的循环都在相互影响着。
动物爆发！
数十亿年来，地球微生物的生存范围随着气候、养分、阳光等因素而变化。来自浅水沉积物的新证据表明，新元古宙末期的大型水华事件并非仅仅是一些短暂的变化。绿色光合藻类首次进化出了新的策略，在沼泽地区找到立足之地。终于，在大陆边缘出现了绿色的海洋，而不再是火星那样的橙色和蓝色。随着大气氧气浓度的激增，平流层臭氧层也在急剧增厚。臭氧层是一道辐射的屏障，能够有效地保护地球固体表面免受太阳紫外线的致命伤害。这样一个保护层的出现是一个重要前提，让陆地生物圈的崛起成为可能，这个生物圈中出现了扎根地下的植物，以及四处游荡的动物。
但奇怪的是，动物又花了一亿年才完全爬上陆地。很长一段时间以来，大多数生物创新都发生在阳光照耀的浅海中。4 000万年来，多细胞水母和蠕虫似乎一直统治着冰期后的海洋。各种各样的软体动物很少保存在化石记录中，它们以海底碎屑为食，躲藏在微生物祖先留下的矿物之下。数千万年来，这种生态模式似乎一直普遍存在。
寒武纪物种大爆发。在距今约5.3亿年的寒武纪时期，地球上诞生出了各种各样的动物并迅速发展。节肢动物、软体动物、腕足动物、蠕形动物、鱼类动物和原始的脊椎动物等一系列与现代动物形态极为相像的动物纷纷亮相，形成了多门类动物同时存在的繁荣景象，这场物种大爆发持续了2 000万~2 500万年
这种模式在约5.3亿年前被一种惊人的进化技能彻底打破了，许多种动物学会了用坚硬的矿物建造自己的保护壳。虽然数十亿年来，生命一直在礁石一样的叠层石中沉积形成矿物层，但没有人知道这种进化是如何产生的。在5.8亿年前的噶斯奇厄斯冰期结束后，一种未知的动物不知在何处以何种方式进化出了一种绝妙的技能，它用常见的矿物，通常是碳酸钙或二氧化硅，生长出了自身保护性的坚硬部分。这样的创新在生存斗争中具有重要的意义，因为捕食者更愿意吃软体食物，而非浪费能量凿开坚硬的矿化外骨骼。很快，事情就变成了要么长出自己的壳，要么就去死。这些硬壳也产生了异常丰富的化石记录，沉积层中满是状如活物的遗迹，这标志着一个新时期的到来，它被称为寒武纪“爆发”。
爆发是一个具有误导性的名字。这不是一种突然的转变，“生物矿化”花了千百万年时间才流行起来。化石丰富的陡山沱组位于中国南部，那里保存着一些带硬刺的海绵，它们可能早在5.8亿年前就掌握了这个生存技能。到了约5.5亿年前的埃迪卡拉纪末期，各种类似蠕虫的生物已经学会了在海底将碳酸盐矿物加工成管状的护壳，作为自己的家园。
第一批可辨认的贝壳动物群虽然块头很小很脆弱，但它们出现在了约5.35亿年前世界各地的岩石中。（我记得我参与过一次特别的大学生野外考察，前往波士顿以北的马萨诸塞州海岸的纳汉特采集这些稀有化石。来自海洋的空气清凉无比，海浪打在风景如画的岩石海岸上，洁白松软的云朵飘过，还有湛蓝色的海洋，所有这些都令人难忘，但被风化的化石碎片小到几乎肉眼都看不见，就没那么值得回忆了。）
真正的“爆发”发生在几百万年后，大约5.3亿年前，那时，各种各样的带壳动物突然出现。一场进化的军备竞赛随即开始。装甲捕食者和装甲猎物的块头越来越大。牙齿和爪子出现了，骨质的保护层和锋利的防御刺也出现了。在热闹的古生代海洋的残酷世界里，眼睛成了必不可少的配置。随着无数代的带壳生物不断出现和死亡，它们的碳酸盐生物骨架形成了巨大而耐抗的石灰岩层，这些石灰岩层华丽地装点了地球过去5亿年的历史。化石堆积而成的雄伟的碳酸盐悬崖和山脊装点了全球，在几十个国家中成了主要的景观，形成了加拿大落基山脉的最高山峰和多佛瓷白色的悬崖，甚至覆盖了珠穆朗玛峰的山顶。
在寒武纪所有的进化创新中，被称为三叶虫的大眼睛海洋生物是最珍贵的，也是最“上镜”的。在这里，我需要声明一下。我喜欢三叶虫。在我七八岁的时候，在俄亥俄州克利夫兰市离家不远的地方，我发现了第一个近乎完整的三叶虫标本，从那时起我就一直在收集这种标本。我的藏品现在有两千多件，全都捐赠给了史密森尼学会。（你可以在国家自然博物馆的海洋厅看到一些最好的标本。）所以，我可能失之偏颇。
虽然生物矿化最初是逐渐发生的，但在5.3亿年前，带有坚硬部分的生命突然间变得无处不在。各种各样的长腿三叶虫和带条纹的蛤蜊，坚果一样的腕足介壳和精致的扇形苔藓虫，多孔的海绵和号角状的珊瑚，都被保存在全球各地一层又一层的沉积岩中。从蒙大拿到摩洛哥的岩石层序中，你可以把手放在确切的层上，也就是这种惊人的生物装甲发明真正成功的确切历史时间上。
在用于研究从软体动物到甲壳动物的突然转变的地点中，最令人印象深刻的地点之一是蒂奥特历史悠久的绿洲村庄，它坐落在摩洛哥西部的小阿特拉斯山脉风景如画的山脚下。数千英尺长的碳酸盐沉积物几乎垂直地立着，暴露在苏斯河陡峭的山谷中，它们提供了埃迪卡拉纪末期和寒武纪开端的连续记录。一层又一层薄薄的红棕色石灰岩中完全没有常见的化石。你可以沿着布满碎石的河床走上一英里，这里一年中的大部分时间都是干的，你只会偶尔看到一些虫穴的痕迹。
然后突然间，在村庄上方山坡上的一层石灰岩中，化石出现了。从远处看，这层水平的岩层似乎与上面或下面的没有什么不同。古老的Eofallotaspis或许是最早出现的三叶虫，标志着寒武纪大爆发的开始。在这些古老地层之上不远处的地层（也就是更年轻的地层）中，人们发现了新的物种，它们是两英寸长、呈独特椭圆形的Choubertella和Daguinaspis，后者是迄今为止最常见的物种。但其中最多产也最容易接近的露头恰好位于一位圣人的墓地中央。这座白色的小型圆顶建筑被布满三叶虫的矮岩墙包围，来访的地质学家是不能锤凿并用、扰乱这安静的地方的。但是，当地的孩子似乎是个例外，他们会敲着你的车窗，举起他们刚挖出的东西，把“蒂奥特的小虫子”卖给游客。
“嘿，先生，100迪拉姆！”大概12美元。
我没有讨价还价，全都买了。
相的变化
许多年来，我收集的化石主要是小虫子。敲开一块石头，在里面找到一只完整的三叶虫，这种兴奋无法言喻。渔民钓到大鱼，扑克牌玩家拿到一手“满堂红”的时候，一定都有这样的兴奋。对我来说，这种兴奋来自找到一种隐藏了5亿年的精致动物。
多年来，搜寻已经足够了。1970年春天，当时我还是一名大四学生，选修了备受尊敬的罗伯特·施罗克（Robert Shrock）的课程，那是我上的第一门真正的古生物学课程。施罗克在麻省理工学院任教近40年，在第二次世界大战之后的近20年间，他担任了麻省理工学院地质和地球物理系的系主任。他是这个领域的著名人物，出版了许多经典著作，最著名的可能要数《北美指准化石》（Index Fossils of North America），这是一本大部头的摄影作品集，包含了自寒武纪大爆发以来每个地质时期的典型物种。
罗伯特·施罗克是一位天才教师，总是面带笑容，天生善于让课堂充满幽默气氛，对专业有着不加掩饰的热情。他会生动地讲述往事，用一种循循善诱的方式教学。他讲述了一个世纪前在不列颠哥伦比亚省偶然发现的伯吉斯页岩，那是一处有5.05亿年历史的遗址，其中有许多无与伦比的软体化石，斯蒂芬·杰·古尔德（Stephen Jay Gould）的《奇妙的生命》（Wonderful Life）让这些化石变得众所周知。他描述了在新斯科舍省西海岸的乔金斯的一个3亿年前的树桩中，小青蛙的化石是如何被保存在细粒淤泥中的（这些小青蛙跳进挖空的树桩里，但无法跳出来）。他生动描绘了9 000万年前的画面，那时，一片广阔的内陆海洋覆盖了现在美国中西部的大平原，在海洋中，奇异的爬行动物和长得像乌贼一样的菊石在那里争夺霸主地位。
但故事出现了一个奇怪的转折。我的妻子玛吉（Margee，当时是韦尔斯利学院的大四学生）和我成了施罗克最后的两个学生。1970年春天，反对越南战争的学生抗议活动日益激烈，学校的课程被打乱，财物被损毁。考虑到这些普遍的干扰因素，麻省理工学院的行政部门让学生选择及格-不及格评分制[1]，以便代替期末考试。玛吉和我是仅有的两个选择要古生物学成绩的学生。我们耗费精力的期末考试在一周时间里零碎地进行，考试是在一个装有一百个化石的盘子里辨认出所有未知的标本，然后用手画出来。诚然，临摹自然是磨炼观察能力的好方法，但我并不是艺术家。每一笔素描都是一个小小的噩梦，我花了很长时间，耗费了许多块橡皮。
那是施罗克最后一节古生物学课。自从著名地震学家弗兰克·普赖斯（Frank Press）于1965年出任新的系主任，“卫兵换岗”就开始了，以定量研究和物理学为基础的地球科学取向迅速得到重视。手绘化石在这个现代世界中找不到立足之地，板块构造就像改造大陆一样，改变了我们的课程体系。
受到最后一堂课的启发，玛吉和我花了很多个周末在附近化石丰富的地方露营。在接下来的几年里，我们收集了马萨诸塞州南部的蕨类化石、宾夕法尼亚州东北部的珊瑚、纽约州东部的腕足动物，以及佛蒙特州西北部的三叶虫。施罗克的课教会我们以一种新的方式看待这些化石，每一种岩石和每一批化石都讲述了古代生态系统形形色色的故事。
我们认识到，在任何一个给定的时期，很多种不同类型的岩石，也就是不同的相都在形成，每种相所处的位置和水的深度都不同。砂岩形成于最靠近海滩的粗糙的浅水潮汐带，那里拥有大量结实的蛤蜊和蜗牛化石，它们的壳很厚，可以抵御海浪的拍打。而石灰岩代表着古老的珊瑚礁，因此拥有大量丰富的动物生命，包括有茎的海百合、海星、蜗牛、腕足类和其他动物群，它们在阳光照射的受保护的潟湖中繁衍。许多来自珊瑚礁生态系统的精美的三叶虫都有着大眼睛，可以360度观察周围环境。在离岸更远的地方，黑色页岩在黑暗的深水中缓慢堆积，那里的动物群通常包括滤食动物和盲眼三叶虫，它们与浅水的透光带的动物完全不同。
如果说每个露头都涂绘出一个时间和地点的画面，那么层层叠叠的岩石层序就讲述了一个丰富的变化故事。格外引人注目的层状岩石类型经常与具有经济价值的煤炭矿床有关（并且相应地进行了充分研究）。3亿年前，煤在沼泽海岸带大量形成，通常夹在砂岩层之间，而砂岩层又以页岩为边界。页岩、砂岩、煤、砂岩、页岩，这样的层序反复出现，暗示着海平面发生了显著变化，它不断下降、上升，然后又下降，这也许是对极地冰层和冰川的撤退和前进的反应。一个不可回避的结论是，数亿年来，海洋深度反复出现了数百英尺的变化。
对现代人来说，我们有巨大的沿海城市和广阔的海滨基础设施，海洋的高度（至少在潮汐涨落的范围内）似乎是固定的。很难想象哪怕只有10英尺的变化，更别说几百英尺了。但最近的沉积记录在这一点上相当明确。在过去的几万年里，海洋最高比今天高出150英尺，最低比现在低了300多英尺。毫无疑问，这种变化将再次出现，从根本上改变大陆海岸线的形态。这就是岩石及其化石生态系统所讲的故事。
陆地上的生命
地球历史上最具戏剧性的陆地变化一定要等到陆地植物出现才能发生，这种创新被4.75亿年前岩石中独特而坚固的微型化石孢子记录了下来。尽管还没有发现那个时期脆弱而易腐烂的植物化石，但那些最早的真正的植物可能与现在的苔类相似，它们是绿藻的无根后代，紧贴地面，只能在低洼潮湿的地方生存。在4 000多万年间，在世界各地的陆地岩层中，耐腐的孢子是陆地植物唯一的实体证据。这些顽强的绿色先锋的进化似乎稳定而缓慢。
大约4.3亿年前，全球孢子化石的多样性发生了显著改变，这表明陆地植物的分布产生了标志性变化。在接下来的3 000万年里，类似苔类植物的孢子不再那么丰富，而那些类似现代苔藓和简单维管植物的孢子占据了优势。这一时期来自苏格兰、玻利维亚、中国和澳大利亚的岩石中也保存着已知的最古老的植物化石，那些化石碎片疑似是石松和其他现代维管植物（具有充满水的内部管道系统的植物）的近亲。由于缺乏广泛的根系，这些矮小的植物只能生长在低洼潮湿的地区。
化石记录随着时间的推移而逐渐改良，因为早期植物变得更加广泛和坚韧。到4亿年前，原始维管植物已经开始在全球一度贫瘠的陆地上定居。它们看起来像细长而无叶的微型灌木，有绿色的茎和枝，高出地面几英寸，会寻求阳光进行光合作用。它们的根有力地穿透岩石地面，提供了一个坚固的锚，而毛细作用会帮助它们向上吸水。
尽管植物化石对生命在陆地上定居具有显见的重要性，但长期以来，化石植物一直被排在三叶虫和恐龙之后。作为捕食者和猎物，动物具有更动态的生活方式，在形态和行为上更加多种多样，也更像我们自己。更重要的是，植物化石往往是一些碎片，通常是一片单独的叶子或茎，抑或一片树皮或有明显图案的木头。用芝加哥大学古植物学家凯文·博伊斯（Kevin Boyce）的话说，植物缺乏“蛤蜊那样令人满意的完整度”，但植物仍然能讲述一些令人赞叹的故事。
2000年，我第一次见到了凯文，当时他是哈佛大学一名热情而富有创造力的研究生，与安迪·诺尔共事，他正在思考如何从地球上最古老的植物化石中梳理出这些故事。凯文是一个贪婪的读者，也是一位天才作家，他有一套讲故事的诀窍，是那种能将植物历史变得迷人的科学家。但想要讲述有关地球上最古老的植物的新故事，凯文需要有关植物化石的一些新数据。安迪让凯文来到地球物理实验室，学习元素、同位素和分子的微量分析技术，而这些技术之前从未系统地应用在植物化石上。
我们的第一个合作研究主要关注了苏格兰阿伯丁郡4亿年前莱尼（Rhynie）燧石中保存完好的植物化石。莱尼植物幸运地躲过了腐烂的命运，温泉用富含矿物质的水将植物组织包围、密封起来，细粒二氧化硅部分取代了被埋藏的植物物质。一个世纪前，地质学家在莱尼一个小村庄的石墙里发现了燧石的巨石。在大量挖掘后，他们才发现并挖掘了一小片真正的基岩。莱尼燧石标本一直很珍贵，而且很难获得，但是凯文·博伊斯得到了哈佛大学收藏的一块拳头大小的标本，还有封在玻璃中的两三英寸透明抛光岩石薄片，在显微镜下，它们可以被用来研究植物解剖学的细胞细节。这些化石揭示了一种奇特景观的片段，它乍看很熟悉，却又非常陌生，覆盖着茎状分枝植物，每一个都有绿色的光合茎，但没有叶子。
几十年前，从莱尼植物化石中提取信息的艰难尝试简直就是英雄的壮举。它需要准备数百个薄片，每个薄片都能为复杂的三维物体提供一个二维视角。想象你把最喜欢的花嵌入坚硬不透明的环氧树脂中，然后把环氧树脂切割成扁平的薄片，重新组装成整朵花，试图重新构建出花朵的形状。这就是研究莱尼的古植物学家先驱必须要做的事情。他们发现了一批奇怪的植物，细长而无叶，它们就是我们绿色世界的祖先。
凯文·博伊斯决定再次前往莱尼燧石区，梳理有关地球古植物群的新信息。他计划分析最新切割和打磨过的莱尼化石，这些化石的大小和形状跟25美分硬币相似。我们用了电子显微探针，这是一种绘制抛光岩石表面化学元素分布图的仪器，我们的载玻片上的燧石薄片就属于这种抛光表面，这种仪器对矿物学家来说很熟悉，但很少被古生物学家使用。我们希望检查原始的植物物质是否被保存了下来。探测的诀窍是将显微探针调至碳，相比于坚硬的岩石，这种元素在生命中更为常见。我们兴奋地发现，莱尼燧石的化石富含碳，并且是较轻的碳的同位素，这是其生物起源的一个引人注目的迹象。碳的分布完美地凸显了这些早期维管植物独特的管状结构。我们的第一篇论文绘制了各种古代植物化石在细胞尺度上的图像，发表在2001年的《美国国家科学院院刊》上。
下一步，凯文想看看他能否从化石中提取到生物分子信息。我们能从原始的植物组织中找到真正的分子片段吗？凯文·博伊斯把目光放在了一种25英尺高的跟树很相似的神秘生物上，这种生物叫作原杉藻（Prototaxites），在4亿年前，它是陆地上已知的最大生物。这种生物的化石非常神秘，它们似乎缺乏和小得多的共存植物相同的细胞结构，相反，它们的“树干”似乎是由复杂交错的管状结构构成的。博伊斯与地球物理实验室的玛丽莲·福格尔及乔治·科迪（George Cody）合作，能够从几个原杉藻标本中提取并分析清晰的分子碎片，这些碎片与相邻的植物化石的碎片大相径庭。他令人瞩目的结论是：原杉藻是一种巨大的真菌，很可能是地球历史上最大的伞菌。
凯文·博伊斯的研究强化了古植物学界的结论。4亿年前的地球景观终于变绿了，不过是以一种完全陌生的方式。矮小的茎状植物、巨大的树状真菌、一些小昆虫以及类似蜘蛛的动物共享着这片土地。
发明叶子
4亿年前，你可能会很舒服地生活在地球上。那时氧气和水都很充足，有植物和虫子当作食物，在庞大的原杉藻下能找到庇荫。但是，地球的风景看起来还是有些奇怪。有绿色的茎和绿色的树枝，但完全没有叶子。
事实上，最初的捕捉能量的微小叶子的出现花费了数千万年的时间，这是一次变革性的发展，它提高了植物王国为争取阳光而进行的进化斗争的“赌注”。长有最大叶子的最高植物享有优势，因此扇形的蕨类植物、分开的枝杈和坚固的木质树干进化了出来。到3.6亿年前，森林已经成为一种全新的陆地生态系统。在地球历史上，陆地第一次成为翠绿色的。
正如我们一再强调的，岩石与这种翠绿色的新生命发生了协同演化。快速扩张的陆生植物崛起，其中一些长得像树一样庞大，这产生了深远的矿物学影响。由于根系及其快速的生物化学分解模式，许多地表岩石的风化速率增加了一个数量级，包括玄武岩、花岗岩和石灰岩。由此形成的土壤中富含黏土矿物、有机物质以及微生物，土壤变得更深，分布得也更为广泛，它们为越来越多、越长越大的植物和真菌提供了一个更大的栖息地。
根系虽然隐藏在视野之外，但同样以惊人的方式进化。最重要的是植物根系和被称为菌根的巨大真菌丝网络之间出现了新的共生关系。这种惊人的进化策略影响着你今天看到的绝大多数植物。事实上，许多植物在缺乏真菌孢子的土壤中无法很好地生长。菌根真菌能有效地从土壤中提取磷酸盐和其他养分，并传递给植物，而植物反过来为真菌提供了稳定的能量丰富的葡萄糖和其他碳水化合物。地下的几何结构难以想象，但树木的根和地下的真菌丝网络通常比我们在地面上看到的树木要巨大得多。
随着可食用的植物在地球景观中越来越多，动物也经历了深刻的进化发展。无脊椎动物，包括昆虫、蜘蛛、蠕虫和其他小生物是第一批陆地探险家。脊椎动物最初以原始无颌鱼的样子出现在大约5亿年前，在第一次跌跌撞撞地试图登上陆地之前，它们在海洋中经历了1亿多年的进化。4.2亿年前，看起来像外星人的凶狠的盾皮鱼出现了，它们长着带有骨板的下颌。在接下来的2 000万年里，更为常见的软骨鲨和硬骨鱼出现，并不断地多样化。但陆地上完全没有脊椎动物。
最近在中国发现了3.95亿年前的鱼骨化石，这提供了一些最早的迹象，显示了从鳍到四足陆地动物的进化转变。在至少两千万年间，鱼类都在有时干燥的浅海环境中生活。一些鱼类发展出了原始的肺，冒险在陆地上停留的时间越来越长，但千百万年后，第一批带骨的动物才能够舒服地呼吸。已知最古老的四足陆地动物骨骼化石来自一种拥有鳍状脚的会行走的鱼，它们来自距今约3.75亿年的岩石。
昆明鱼化石，是目前已知最古老的脊椎动物化石之一
过去的20年，是古生物学发现的繁荣时期，从中国到美国宾夕法尼亚州，世界各地都涌现出了不起的发现。在这段时期，从鱼类到两栖动物的逐渐转变成为人们日渐关注的焦点。新的化石发现表明，中间形态持续了3 000万年，它们逐渐变得更适合陆地，但仍保留着明显的鱼一样的结构特征。第一批真正的两栖动物出现在约3.4亿年前，也就是所谓的石炭纪中期，那时，世界各地的低洼地区沼泽森林繁茂。这些原始陆地动物的头骨宽而平，有张开的腿和五趾脚，耳朵能在空气中听到声音，还拥有其他一些陆地适应能力，这些都明显不同于它们的鱼类祖先。到了石炭纪，地球的固体表面第一次演化成了一种惊人的现代外观，蕨状的高大树木长成了茂密的绿色森林，潮湿的沼泽出现，繁茂的草甸上居住着越来越多的昆虫、两栖动物和其他生物。由于生命的深远影响，地球近地表的岩石和矿物的多样性和分布状态也达到了接近今天的水平。
但请注意，并不是说地球已经接近了静止状态。气候起伏不定，干旱和洪水给陆地带来了压力，反常的小行星撞击和超级火山的爆发重创了生命，类似这样的事情我们可能希望永远也不要遇到。但事实证明，地球及其生物群对这种冲击具有很强的抗压性。无论何时，生命总会找到方法去适应现实世界。
第三次大氧化事件
到了3亿年前，地球上森林繁茂。事实上，大量多叶生物质开始生长并被掩埋，通过高温高压的过程“加工”大量死去的植物，一种新型岩石即富含碳的黑煤（因此被称为石炭纪）开始形成。这种有机碳封存的一个结果是，氧气再次大量进入大气中，就像之前新元古宙的氧化事件发生时一样。氧气逐渐从3.8亿年前大气中约18%的含量，增加到3.5亿年前的约25%，再到3亿年前的30%甚至更多。事实上，根据某些估计，大气的含氧量曾短暂地攀升到过35%以上，这远高于现在的水平。这些极端的数字并不完全来自猜测。来自石炭纪时期美丽的琥珀标本，也就是一种树液的化石，似乎保存着古代大气的气泡，这些气泡中仍含有30%或更多的氧气。
氧气上升对动物生命产生了有益的影响。更多氧气意味着更多能量，以及动物更高的新陈代谢率。一些生物利用这些额外的能量长得更大，可以说非常大。最惊人的是巨大的昆虫，比如两英尺翼展的巨型蜻蜓。氧气的增加也提高了大气密度，使得飞行和滑翔变得更容易。另一些动物不可避免地迁徙到了以前不适宜生存的更高海拔的地区，现在那里已经有了足够的空气供它们呼吸。
在数千万年间，泛大陆上的生命不断繁衍。这里气候温和，资源丰富，生命恣意地进化着。但是突然间，难以置信地，在2.51亿年前，在地球历史上最悲惨的灭绝事件中，生命崩塌了。
大灭绝和其他集群灭绝
在过去的5.4亿年间，化石记录不断地累积。它记录了大量生物发明，包括数十万种已知的珊瑚类、海百合类、腕足类、苔藓动物类、蛤蜊和螺类的化石物种，更不用说大量不同的微型动物了。已知的三叶虫物种有两万种，每年还有几十种新物种被记录下来，专家估计生物的多样性还远不止这些。我们知道三叶虫在地球上生存了仅仅约1.8亿年（大约在2.5亿年前到4.3亿年前），也就是说，平均每几千年就会出现一个新的三叶虫物种。考虑到化石生命丰富的多样性，在5亿多年的时间里，平均每个世纪一定都会出现几个新物种。
而化石记录中没那么明显的则是一些残酷的大规模死亡时期，也就是数百万物种的突然灭绝时期。相对来说，发现新东西较为容易。古生物学家无法抵挡“首次”或“最早”描述一个重要分类群或特征的诱惑。第一种植物、第一种两栖动物、第一只蟑螂和第一条蛇（尽管残留了微小的后腿）都成了化石新闻。最近的一篇论文甚至号称发现了地球上已知最古老的阴茎化石（来自一只4亿年前的蜘蛛），这是来自莱尼燧石的另一项惊人发现。
三叶虫化石
在化石记录中更难确认的是消失。我们需要在全球范围内，一层又一层、一个时间段接一个时间段地仔细梳理化石的差异，才能确认大灭绝。几十年的努力终于有了回报，人们发现了五次大灭绝的时间，也就是说，在过去的5.4亿年里，地球经历过五次令人毛骨悚然的时刻，超过半数物种灭绝了。随着越来越多数据的积累，其他没那么严重的物种灭绝事件似乎也有15次之多。
从化石记录中发现物种的突然消失并不容易。考虑到海洋多次进进退退，浅海反复开放又关闭，寒冷时期沉积的放缓，以及侵蚀造成的不可逆的损失，岩石记录质量参差且不完整，它就像是一本百科全书，中间许多页被随意地撕掉了，有几卷甚至完全找不到了。通常人们也很难得知地层的确切年龄，并把它们和地球另一端的岩层时间相匹配。因此，任何一组动物的消失都可能仅仅反映了记录中一段较长的空缺。然而，由于化石数据库的扩展，全世界的古生物学家能够比对记录，在生命出现和消亡的更常规背景下，最主要的灭绝事件就显得格外突出了。
2.51亿年前，古生代末期见证了最大规模的物种灭绝。据估计，70%的陆地物种和多达96%的海洋物种消失了，这是一场全球性的灾难，被称为“大灭绝”。这是一次在地球历史上空前绝后的事件，从来没有那么多生物（包括所有三叶虫）永远地消失。
关于大灭绝的原因，科学家仍然意见不一。这一定不是某个简单的原因造成的，比如一次巨大的小行星撞击，它也不是一下子发生的。事实上，多种增强的压力因素可能发挥了作用。首先，氧气水平从石炭纪35%的高点迅速下降。到了2.51亿年前，氧气水平又回到了约20%。这些氧气足以支持复杂的动物生命，但这种下降或许会给那些已经适应了在更高氧气水平下代谢的动物增加压力。古生代末期还经历了全球冷却和小型冰期，厚厚的冰层覆盖了泛大陆南极的部分区域。海平面因此大幅度下降，这会使世界上大部分大陆架暴露出来，从而造成额外的压力。大陆架是海洋中生产力最高的生物圈，因此，失去很大一部分浅水海岸带将限制珊瑚礁和其他各种浅水生态系统的发展，进而限制整个海洋食物链。
古生代末期大规模的火山活动与2.51亿年前的大灭绝几乎同时发生，它代表着地球生物圈再次遭到重大破坏，这是地圈对生物圈的另一种影响。西伯利亚火山持续的大规模喷发，喷出了100万立方英里的玄武岩，是地球历史上最大的火山事件之一，这一定严重影响了地球环境。几十万年间，火山灰和烟尘的大量释放会降低射入的阳光，使冰期加剧。大量有毒的含硫化合物的释放会导致酸雨和环境进一步恶化。
似乎所有这些环境的影响还不够，一些科学家认为，臭氧层的萎缩是地球最大规模物种灭绝的另一个可能的压力因素。从南极洲到格陵兰岛，在世界各地的古生代末期的岩石中，变异的孢子化石提供了吸引人的证据，甚至可能是确凿的证据。也许西伯利亚的火山喷发引发了大气中的化学反应，消耗了臭氧层，为导致突变的紫外辐射打开了一扇窗。
无论原因是什么，大灭绝都在地球的生物多样性上留下了一个令人震惊的窟窿。地球花了3 000万年才恢复过来，也的确是恢复了。并且，每次灭绝事件后都重复着一个主题：消失带来机遇。一个新的时代见证了新的动植物群发展，填补了空缺的位置，那就是中生代。
恐龙！
一个成功的出版商曾建议我，如果我想让科学书籍大卖，那么我应该从两个热门话题中选一个书写，那就是黑洞或恐龙。（出版商甚至在我的一本与黑洞完全无关的书的书名中加入了“黑洞”这个词。）
所以我们来说说恐龙。在大约2.3亿年前，恐龙作为古生代末期大灭绝的受益者出现了。这些迷人的爬行动物一开始生长缓慢，体形较小，但种类繁多，在超过1.6亿年的时间里发展占据了所有生态位。在大灭绝之后的一段时间里，恐龙与大型两栖动物竞争激烈，但2.05亿年前的另一次重大灭绝事件让大多数非恐龙的脊椎动物灭绝了，这次灭绝事件与另一次特大火山事件同时发生。紧接着就是恐龙大爆发。
恐龙是中生代动物群中最迷人和最具魅力的动物。迄今为止，这一时期最常见的化石是那些优雅盘绕的海洋头足类动物，被称为菊石。如果我不是在包含许多三叶虫的古生代岩石附近长大，而是在南达科他州中生代岩石的土地上长大的，我很可能会收集菊石。它们的壳异常美丽，具有对称的螺旋形状，表面带有虹彩。这些分节的头足类动物是分室鹦鹉螺（也叫珍珠鹦鹉螺）的远亲祖先，带有被称为缝合线的精致壳饰，这些缝合线曾将每个内部小室彼此隔开。与三叶虫不同，菊石壳无法提供完整的动物真实样貌。这些动物有大而突出的头，长着大眼睛，带有10个吸盘状触手，但都早已腐烂。剩下的只是这个有趣生物藏身其中的护甲。在1.6亿年中，菊石在中生代的海洋中演化，并变得更加多样。
中生代见证了其他许多重要的生物学发展。开花的植物在那时首次出现，第一批真正的哺乳动物也首次出现。就像地球历史中其他的重要部分一样，地球上这些生命世界的发展也伴随着许多地理和地形的变化。泛大陆开始分裂，大西洋诞生了。大气氧气继续下降到15%的极低水平，随后只反弹到了现在21%的水平。海平面一次又一次下降和上升，但没有证据表明，中生代出现过任何明显的冰期，甚至没有那种结束古生代的小型冰期。
恐龙世界
让我们快进到6 500万年前，这是地球历史上最黑暗的时刻之一。一颗直径约6英里的小行星撞在了现在的尤卡坦半岛附近。一场巨大的超级海啸席卷全球，随后大火燃烧了整个大陆。蒸发的岩石形成的巨大云层遮蔽了天空，光合作用几乎完全停止了。在遭受天外来客的重创之前，这个世界似乎就已危机重重。古生代末期的大灭绝事件带来的一种影响是，印度发生一系列火山喷发，这可能已经改变了地球的大气层，在几十万年间削弱了生态系统。另一种影响是，海平面的显著下降似乎暴露了大部分大陆架，扰乱了海洋的食物链，杀死了所有八种已知的菊石物种。海平面变化的原因并不清楚，因为当时并没有出现冰期。一些科学家推测，洋中脊变得没那么活跃了，从而导致冷却和收缩，随之而来的是整个洋底的下沉。
无论什么原因，单独的还是共同的，所有的恐龙都灭绝了，只剩下一个小的谱系，就是鸟类。最后一些菊石也灭绝了，这为哺乳动物的进化铺平了道路。这些类似啮齿动物的小型脊椎动物在它们较大的（也因此灭亡的）恐龙兄弟的陪伴下逐渐稳固地位，它们在中生代末期的灭绝中生存了下来，占据了几乎所有的生态位。在印度超级火山事件和小行星撞击之间的1 000万年内，哺乳动物已经变得多种多样。在1 500万年内，鲸、蝙蝠、马和大象的早期祖先已经进化了出来。
