人类已经进入信息时代，然而我们赖以维持现代生活的电力，很大一部分来自最早的工业能源——煤炭。对人类文明来说，煤炭是地下最重要的一种石头，其貌不扬的黝黑身形下蕴藏的炽热能量，助我们走进了工业时代。作为十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一，煤炭真的是由植物死后埋藏在地下变成的吗？那为何现在的植物再难再形成煤炭呢？

参天树木，化作煤炭回归

很多人都听过煤炭是“植物死后埋藏地下，经过一系列变化后形成”的科普。说来简单，实际上煤炭的形成过程非常复杂，需要的条件也没那么随便。不仅需要巨量的植物枝叶和根茎经过千百年的堆积形成一层极厚的黑色的腐植质，而且还要有地壳的变动，能够将腐化得泥炭不断地埋入地下，长期与空气隔绝，最后在高温高压下，经过一系列复杂的物理化学变化，才能形成的黑色可燃沉积岩—煤炭。

主要成煤物质来源示意图

理论上，植物的草茎、落叶、树脂、孢子、花粉乃至藻类都能形成煤炭，不过真正高品质的煤炭，还得用植物的木质部“变”出来—不论蕨类植物、裸子植物还是被子植物，木本种类中的木质部分，都含有丰富的“木质素”。与在植物体内含量更高的纤维素相比，木质素在地层中不易分解，对成煤贡献最大。

所以我们常能在煤炭中看到有植物的叶和根茎的痕迹，如果把煤切成薄片放到显微镜下观察，就能发现非常清楚的植物组织和构造，有时在一些煤层里还保存着像树干一类的东西，甚至有的煤层里还包裹着完整的昆虫化石。这些都跟煤炭形成的纪元有关。目前全球一半以上的煤炭，都形成于距今3亿多年前的石炭纪，那是一个植物生长无比繁盛、大气含氧量空前丰富的年代。

三亿年前的富氧时代和成煤纪元

石炭纪是古生代的第5个纪，开始于距今约3.55亿年至2.95亿年，延续了6500万年。石炭纪时的地球是一颗温暖潮湿的星球，除了海洋的一片蔚蓝，陆地上几乎长满了绿色植物，一眼望不到头的蕨类森林覆盖着全球陆地。在森林最上层，是高达20多米的鳞木，因鱼鳞般的树皮而得名；中层是矮一些的栉羊齿，这些蕨类植物枝条细长，有对称的羽状复叶。森林下层则是多种低矮的蕨类和裸子植物，把地表盖得严严实实。

当时全球气温快速回升，湿热的气候让蕨类、石松类等植物生长繁盛，进而地球大气中的含氧量一举升至35%，比今天高出了14个百分点！于是地球史上也出现了一批最大的昆虫，比如翼展超过半米的巨脉蜻蜓、70厘米长的巨型蝎子、2.5米长的巨型马陆、人头般大小的蜘蛛……不过虫族还不是霸主，因为另一支登上陆地的动物—两栖类也在迅猛发展，有些巨型种类甚至比鳄鱼还要大。

同时石炭纪的高温环境，也加快了大气的频繁对流和幅合，所以大雨和雷暴天气都是家常便饭，像极了亚马逊热带雨林，于是陆地上沼泽遍布，这些都给煤炭的形成创造了有利条件。可以想象，当大量植物在沼泽水边死去，堆积在水底，然后随着地壳运动和水力搬运等作用，大量腐化成泥炭的植物遗体在地下挤压、变质、脱水成为褐煤，然后又经过高压高温作用下的一系列物理化学变化，褐煤进一步被压缩成黝黑坚硬的烟煤或无烟煤。

这段时期形成的煤炭储量巨大，占到了当今全球煤炭储量的一半以上。据业内专家计算，山西某些厚度达120米的煤层，所需要的植物遗骸堆积至少要2440米。更别提位于美国东部的阿巴拉契亚煤田了，这处长1200~1250公里，宽50~300公里，煤层厚度500~900米，含煤面积达18万平方公里，煤炭储量达3168亿吨的超级煤田，含煤地层就是属于石炭纪。可见石炭纪森林的资源量是多么恐怖。

成煤的克星：微生物分解

很多人也会疑问，既然亿万年前的植物能够形成煤炭，那么现在的植物怎么就不能再形成煤炭呢？或许你会说现在的气候不像石炭纪那样潮湿，没有那么多的沼泽掩埋枯死的植物，其实这只是一部分原因，更重要的是石炭纪缺少能够分解木质素的微生物。所谓微生物分解，就是微生物把有机物质经过代谢降解，变成简单有机物或无机物质的过程。

而微生物，就是由细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生生物、显微藻类等组成的一大类生物群体，比如属于真菌的蘑菇、灵芝、香菇等也可算微生物，不过是肉眼可见的一类。相比于大型动物，微生物的生长繁殖速度都是指数级的，就拿大肠杆菌来说，通常在12-20分钟繁殖1次，1个大肠杆菌在24小时就可分裂72次，产生4722366500万亿个大肠杆菌。

至于木质素，是植物界中储量仅次于纤维素的第二大生物质资源，是维持木质部极高硬度以承载整株植物重量的关键物质。在化学上，木质素属于交叉链接的酚聚合物，含氮量非常低，要知道构成蛋白质的氨基酸中必须要有氮元素，微生物也需要氮才能制造出分解树木中木质素（占树木干重的20-35%）、纤维素（占40-50%）、半纤维素（25-40%）的消化酶。

这三种物质中，木质素广泛分布在树木的根、茎、皮中，处于最外层，最坚硬也最难分解，目前地球上能够分解树木的微生物主要就是属于真菌的白腐菌、褐腐菌和软腐菌。其中软腐菌主要消化分解树木中较柔软的纤维素，对木质素高于40%的树皮毫无办法，而褐腐菌也很难消化木质素，但对纤维素和半纤维素有着很好的分解能力，所以被褐腐菌分解过树木通常只留下褐红色的木质素。

那么，唯一能够直接攻击木质素的就是白腐菌了，首先白腐菌对氮元素的利用率远高于褐腐菌和软腐菌，即便树皮的氮元素很低，依然能够产生足够的消化酶来吃掉木质素。比如生活中常见的香菇、蘑菇就属于白腐菌类的腐生真菌。所以枯死的植物若想有机会沉积成为煤炭，首先就需要扛过微生物的分解。

根据研究，这些腐生真菌获得能够分解木质素的能力可以追溯到2.9亿年前，这一时间晚于石炭纪6000多万年，实际上在石炭纪之后，地球制造煤炭的速度突然大幅放缓，而全球三大成煤期产生的煤炭，除了石炭纪多为高品质的无烟煤和烟煤外，侏罗纪-白垩纪时期的煤炭主要为烟煤和褐煤，到了第三纪则主要是褐煤和泥炭，而后两者尽管时间线上远长于石炭纪，但成煤储量无论在数量上还是质量上都远不如石炭纪。

所以尽管从古生代的石炭纪到新生代的第三纪，植物不断进化，已经从初始的孢子植物，进化到裸子植物、被子植物，防护能力、生存能力不断加强，但煤层中常出现的植物化石，更多的是石炭纪主流的蕨类植物，如舌羊齿。或许这也从侧面验证了石炭纪由于白腐菌这些腐生真菌并未获得消化木质素的能力，才使得防护能力并不强的蕨类植物有更多机会成为化石，保存下来。

美国阿巴拉契亚煤田，长1200公里，煤层厚500~900米，面积18万平方公里，地层属石炭纪。

每一个地质年代都会在地层深处留下一个沉积层，这些沉积层中，除了岩石和沙泥，还夹杂着动物化石、煤炭、石油和天然气，就像一摞写满地球历史的巨卷。而煤炭作为地球地质时期，以植物为媒介储存的太阳能，支撑了人类开启工业时代的大门，让地球得以迈进0.5级的文明时代。只是，支持人类进入下个时代的能源又是什么呢？但那就是另外一个故事了。

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