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？
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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
- Beerling, D. The Emerald Planet: How Plants Changed Earth’s History Oxford University Press (2007)
- Krulwich, R. 「The Fantastically Strange Origin of Most Coal on Earth,」 National Geographic (2016)
- Lane, N. Oxygen: The Molecule That Made the World Oxford University Press (2003)
- Ward, P.D., Out of Thin Air: Dinosaurs, Birds, and Earth’s Ancient Atmosphere Joseph Henry Press, Washington, D.C. (2006)
- Ward, P.D. & Kirschvink, J. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origins and Evolution of Life on Earth Bloomsbury Press, London, United Kingdom (2015)