大雁为什么那么能飞?

原文转载自 「@Lenciel」 ( https://lenciel.com/2020/06/why-birds-have-such-strong-lungs/ ) By Lenciel

预计阅读时间 0 分钟(共 0 个字, 0 张图片, 0 个链接)

最近看了《给我翅膀》,讲爱鸟爱到孑然一身的科学家,拉上孩子一起伪装大雁的父母,用轻型飞机引领它们学会迁徙的故事。

当我看到大雁跟着小型飞机,从北极圈一路南下,无论是飞行高度还是飞行距离都如此夸张,想到一个问题:它们为什么这么能飞?

目录

大雁为什么这么能飞

答案似乎是,大雁和所有的鸟类一样——无论是小如蜂鸟大如鸵鸟ーー都有效率超级高的肺。

我们这些哺乳动物的肺拿到自然界环评,是很原始甚至很可怜的:哺乳动物呼吸系统的入口和出口是复用的,也就是说我们用同样的通道吸气和呼气。

好歹我们的消化系统不是这样,不然就更可悲了……

相比之下,鸟类的呼吸系统是由与肺相通的气囊和肺共同构成的。吸气时,一部分空气在肺内进行气体交换后进入前气囊,另一部分空气经过支气管直接进入后气囊。呼气时,前气囊中的空气直接呼出,后气囊中的空气经肺呼出,又在肺内进行气体交换。

这样,在一次呼吸过程中鸟就会进行两次气体交换,因此叫做双重呼吸

为什么鸟的肺这么强?

是恐龙爸爸给它们的。

鸟就是恐龙。

在过去,生物学中有一个分类叫鸟纲(Aves),但是科学家们现在已经把它合并进了恐龙(Dinosauria)这个类别。

如果只用下楼买个鸡排就知道恐龙吃起来是什么味道,让你感觉有点扫兴,想想看,一个体积像恐龙那么大的动物,究竟靠什么天赋,让它不仅仅是能够存活,而是从大约 2.5 亿年前开始,到大约 6500 万年前那颗撞击墨西哥的小行星到来之前,始终作为全球范围内的优势物种统治着地球?

靠的就是它的肺。

为什么恐龙的肺这么重要?

因为没有这么强的肺的动物,都死掉了。

今天,氧气占大气的 21% 。但是在石炭纪(大约 3 亿年前),大气中氧气的含量远远超过 30%,并且在不断上升。

氧气这么充足,导致那些呼吸方式非常低效的昆虫都能长得很大:远古时期蜻蜓的翼展能到 1 米,青蛙这样的两栖动物也能长到餐桌那么大。

然而,到了二叠纪末期(大约 2.5 亿年前) ,氧气的比例降到了 12% 。

这对地球上的大多数生命来说都是个坏消息,因为它们已经对这种异常高的氧气水平上瘾了。于是, 95% 的生命都死掉了,这是地球生命史上最大的灭绝事件

有 5% 的生命形式在这么少的氧气中存活下来,其中一个主要的分支就是恐龙:它们有超级高效的呼吸系统,充分利用了有限的氧气。

并且在接下来的几千万年里,当氧气含量缓慢回升到 20% 时,恐龙的体型也再一次变得非常巨大ーー比像大象这样的哺乳动物大很多。

为什么大气氧含量曾持续上升?

为了回答这个问题,我们必须回溯到大约 4 亿 5 千万年前,植物刚开始迁徙到陆地上的时候:在此之前,植物只生活在海洋中,地球表面是一片荒漠。

最早上岸的植物发现,一旦离开了水,就要对抗在海洋中从来没有遇到过的东西: 重力。

在海里,植物可以漂浮在水面上,因为植物的密度和水没什么大的差别。但和空气比,它们的密度就大太多了,所以重力把植物拉向地表。

于是,在上岸后的数千万年里,陆地上的植物都像苔藓那样粘附在地球表面,直到进化给那些想站起来的植物带来了礼物:木质素

这是一种由碳和氢组成的刚性分子,会和植物已经拥有的松软的纤维素分子相互作用,形成一个非常坚固的结构:像砖块一样。并且这些砖块可以相互堆叠,变得很高。

拥有了木质素的植物,很快发展出了茎、根、枝干。

地球上终于出现了树木和森林。

然后,在树死掉的时候,问题来了。

过去的动植物自然寿命结束时,细菌和真菌孢子会将其分解。 但是当它们接触到木质素时,发现自己搞不定这种东西。

最终,当含木质素的植物一棵又一棵死去的时候,碳氢化合物里的碳以木化石等形式沉积起来,氧原子则进入了大气。

这样的情况持续了几十万年,几百万年,几千万年。最终,超过 1 亿年的枯死的树木、蕨类植物和未消化的木质素沉积在地球表面:这就是「石炭纪」这个名字的由来。

为什么大气氧含量又突然下降?

很显然,如果石炭纪发生的情况持续下去,地球会变得非常危险:一个闪电就爆炸了。

但昆虫和两栖动物似乎乐在其中,越长越肥。

好在啃不动木质素的微生物一直没有放弃。

它们进化出了一种酶,能够分解所有尚未成为化石的枯木:这个过程就是碳氢化合物被氧化,变成二氧化碳和水的植物「腐烂」的过程。

实际上,广义上讲,我们消化食物也是类似的氧化过程。

所以微生物无法分解木质素,造成大量堆积就好像暴饮暴食后能量变成脂肪了一样。

一旦微生物学会了使用酶分解木质素,大气中的氧含量就开始迅速地下降,「脂肪」还是堆在那里。

直到几百年前,人类开始把煤、石油和天然气作为燃料。

现在燃烧所有燃料释放二氧化碳的速度是 400 年前莎士比亚时期的 50 万倍:我们自己减脂的时候,知道控制速度和比例,但是对大自然好像还缺点儿责任心。

Reference

more_vert