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科学 松鼠 会 »它 带来 了 生命 史上 最大 的 灾难, 也是 地球 生命 的 未来



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本文 来自 微 信 公众 号 "物种 日历", 未经许可 不得 进行 商业 转载

地球 锈 了.

几十 亿 年 来 大海 一直 在 吸收 有害 气体, 如今 终于 到 了 极限. 海水 里 的 铁 已经 化为 史上 最大 的 铁锈 而 沉淀 殆尽, 多 出来 的 气体 只能 在 地球 的 大气 圈 和 水 圈 里 越 积 越多; 整个 行星 为之 颤抖.

绝大部分 生物 都 死 了, 它们 的 代谢 被 全新 的 环境 彻底 摧毁. 少量 生命 躲在 遥远 的 深海 里 逃过 一劫, 但 它们 再也 不能 重见天日. 只有 极 个别 的 生命 适应 了 新 的 环境, 并将 在 很久 以后 的 未来 繁荣昌盛; 但是 首先, 它们 还 ​​需要 熬过 自 太古 宙 以来 最大 的 一场 气候 异变, 这场 气候 异变 将会 在 接下来 的 三亿 年 里 让 整个 地球 ​​表面 都 被死亡 笼罩.

海洋 似乎 可以 接纳 一切. 图片: pixabay

海洋 似乎 可以 接纳 一切. 图片: pixabay

所有 这些 灾难 的 源头, 只是 区区 一 类 生物 而已 –

不, 不是 人类. 在 这个 故事 面前, 人 根本 排 不 上 号. 我们 要说 的 是 一 类 肉眼 甚至 都 看不见 的 生物: 产 氧 光合 蓝 菌.

它 改变 了 世界.

产 氧 光合 蓝 菌 是 一 大群 蓝 菌 的 统称, 今天 的 日历 物种 – 海洋 原 绿 球菌 (Prochlorococcus marinus) 就是 其中 典范. 它们 的 特点 都 写 在 名字 里 了: 属于 蓝 菌, 会 光合作用, 而且 能产 氧气.

海洋 原 绿 球菌. 图片: panchamimenon.com

海洋 原 绿 球菌. 图片: panchamimenon.com

等一下, 这 句话 是 不是 说得 有点 累赘 了? 都 光合作用 了, 那 产 氧气 难道 不是 很正常 的 吗?

并非 如此. 产 氧 不是 一件 自然而然 的 事情. 产 氧 是 一个 奇迹.

光合作用 本质 上 是 一个 还原 反应. 取 一点 二氧化碳, 强行 塞给 它 几个 电子 把 它 还原, 然后 补 点儿 质子 平衡 电荷, 你 就有 了 糖, 无数 生物化学 过程 的 起点, 我们 所有 食物 的根本 来源. 但是 二氧化碳 十分 稳定, 它 并不 喜欢 被 强 塞, 所以 电子 必须 很高 能. 这 是 第一 道 门槛.

幸运 的 是, 我们 有 太阳. 太阳 在 持续 不断 向 地球 灌注 能量. 不过 还有 第二 道 门槛: 这些 电子 从哪里来? 有的 电子 待在 很 安稳 的 地方, 很难 被 强行 拽 出来, 你 要灌 很多 能量 进去; 另 一些 电子 本来 就 比较 高能, 稍微 推 一把 就 可以 跑去 欺负 二氧化碳 了.

光合作用 的 简单 示意图. 图片: Daniel Mayer; 汉化: xiaomingyan

光合作用 的 简单 示意图. 图片: Daniel Mayer; 汉化: xiaomingyan

奇怪 的 事情 就 在 这里: 产 氧 光合 蓝 菌 放着 容易 的 电子 源 不用, 选 了 一个 难 的. 之所以 光合作用 会 产 氧, 是 因为 它 的 原料 用到 了 水: 以 阳光 的 能量 把 水 劈开, 电子 送去 还原 二氧化碳, 质子 送去 平衡 电荷, 剩下 氧气 "扔掉". 可是, 水 是 一个 十分 稳定 的 分子, 劈开 水 抢夺 它 的 电子, 是 一个 极端 吃力 不 讨好 的 行为. 远古 时代的 地球, 周围 到处 都是 更好 的 电子 来源 – 比如 硫化氢 和 铁, 也 有 很多 其他 生物 在 用. 产 氧 光合 蓝 菌 为什么 偏偏 要 和 水 过不去 呢?

大概 是 因为, 这 是 解决 "电子 堵车" 的 最好 办法.

刚才 提到, 产 氧 光合作用 要 完成 两个 任务: 先 消耗 一些 能量, 抢 来 一个 电子, 再把 抢 来 的 电子 加上 更多 能量 强行 塞给 二氧化碳. 这 两个 任务 分别 由 两套 蛋白质 完成, 出于 历史 原因, 它们 被 分别 称为 光 系统 ⅱ 和 光 系统 ⅰ. 所有 的 细菌 里, 只有 产 氧 光合 蓝 菌 同时 拥有 两个 系统, 剩下 的 都 只有 二者 其一. 而 所有 其他 产 氧光合 生物 – 比如 绿色植物 – 都是 依靠 内 共生, 把 蓝 菌 的 全套 装备 搬进 了 自己 体内.

绿色植物 的 光合作用 离不开 叶绿体. 图为 寒 地 走 灯 藓 (Plagiomnium affine) 细胞 及 细胞 内 的 叶绿体. 图片: Kristian Peters / wikimedia

绿色植物 的 光合作用 离不开 叶绿体. 图为 寒 地 走 灯 藓 (Plagiomnium affine) 细胞 及 细胞 内 的 叶绿体. 图片: Kristian Peters / wikimedia

有些 细菌 只有 光 系统 Ⅰ, 也 就是 只有 塞 电子 给 二氧化碳 的 部分. 幸运 的 是, 它们 不需要 费劲 从 水里 抢 电子, 随 随便 便 就能 从 硫化氢 和 铁 里 搞到, 因此 只有 一个 系统 也可以 顺利 光合作用 – 只不过 出产 的 是 硫 或者 三 价 铁, 而不 产 氧.

有些 细菌 只有 光 系统 Ⅱ, 但 它们 拿 这个 系统 做 另外 一件 事情: 生产 能量 分子 ATP. 事实上, 光 系统 Ⅱ 和 呼吸作用 使用 的 系统, 本质 上 是 一样 的, 生产 ATP 的 方式 也是 一样 的,只不过 呼吸作用 靠 的 是 氧化 产 能, 它 靠 的 是 光 产 能.

蓝 细菌 同时 拥有 这 两个 系统. 这 本身 没什么 了不起 – 细菌 里 经常 出现 水平 基因 转移. 但 它 是 如何, 又 是 为什么 要把 这 两个 系统 连 在一起 的?

还 没有 确凿 无疑 的 答案, 但是 有 一个 非常 漂亮 的 假说: 这 是 为了 解决 光 系统 Ⅱ 被 电子 堵死 的 问题.

在 细菌 里, 光 系统 Ⅱ 就像 是 一群 小孩 坐在 楼梯 上 玩 击鼓 传 花: 上面 的 小孩 逐渐 把 电子 往下 传, 过程 中 释放 能量 产生 ATP. 最下面 的 小孩 拿到 电子 之后, 借助 太阳 的 能量,再 扔回 最 上面, 如此 反复.

个个 光 系统 所在 的 光合作用 "光 反应" 示意图. 图片: Bensaccount / wikimedia

个个 光 系统 所在 的 光合作用 "光 反应" 示意图. 图片: Bensaccount / wikimedia

可是 有 个 问题. 太阳 照到 楼梯 间 的 玻璃窗 (其实 是 细菌 里 负责 防 紫外线 的 锰), 时不时 也会 弹出 一 两个 电子 来. 这些 小孩 都 太 天真 了, 见到 电子 就 只 知道 往 手里 拿. 多 一个 两个 不是 问题, 但 一个 小孩 只能 拿 一个 电子, 如果 大家 手里 都有 电子 了, 就 没法 再传 了 呀! 光 系统 ⅱ 的 生产 就 停滞 了.

停滞 是 因为 电子 太多, 要是 能 来 个 老师 把 多余 的 电子 拿走 就好 了. 但 拿了 电子 也 不能 搁 手里, 还是 得 扔到 别的 地方 去. 谁 擅长 把 电子 塞给 别人 呢?对, 光 系统 ⅰ.

所以, 把 它俩 连 在一起, 让 光 系统 Ⅰ 把 Ⅱ 里 多余 的 电子 拿走, 塞给 二氧化碳 去做 光合作用, 不 就 两全其美 了?

而 等到 二者 联系 到 一起 时, 新世界 的 大门 就 打开 了. 光 系统 Ⅱ 再也 不用 担心 被 多余 的 电子 堵上. 事实上, 它 都 不再 需要 循环; 把 自己 的 所有 电子 都 扔给 光系统 ⅰ 的 话, 就 可以 在 产出 ATP 的 同时, 还 源源不断 地产 出 糖, 一举两得. 没 了 循环, 电子 就 不怕 多, 越多越好.

卡尔文 (Melvin Calvin) 发现 的 "卡尔文 循环" 是 光合作用 产生 糖 的 环节, 也是 众多 学习 过化 的 人 的 噩梦 (之一). 图片: Mike Jones & Photolab / wikimedia

卡尔文 (Melvin Calvin) 发现 的 "卡尔文 循环" 是 光合作用 产生 糖 的 环节, 也是 众多 学习 过化 的 人 的 噩梦 (之一). 图片: Mike Jones & Photolab / wikimedia

所以 那扇 玻璃窗 被 盯上 了. 以前 窗户 / 锰 是 被 光照 后 偶尔 爆 电子, 现在 锰 最好 是 能 全职 负责 生产 电子.

巧 的 是, 深海 热 泉 口 有 一种 含锰 的 矿物, 正好 能用 四个 锰 原子 把 一个 水 分子 恰到好处 地 包围 起来, 担当 了 催化剂 的 工作.

就 这样, 光 系统 Ⅰ 把 电子 塞给 了 二氧化碳, 转头问 光 系统 Ⅱ 要 电子; 光 系统 Ⅱ 则从 含锰 矿物 那里 要 电子. 锰 把 压力 转嫁给 水, 四面 围攻 把 水分 子里 的 电子 抢走, 无辜 的 水 被 撕开, 产出 的 电子 递给 光 系统 ⅱ, 氧气 扔掉, 再把 下 一个 水 抓 进来, 全程 能量 都由 太阳 负责 提供.

这个 看起来 棒 极 了 的 安排, 变成 了 灾难 的 根源.

二十 多 亿 年前, 地球 上 根本 找不到 游离 的 氧气.

这 其实 很正常, 木星 直到 今天 都是 些 氢气, 甲烷 之 类 的 还原 性 气体 占 主导 地位. 地球 形成 的 时候 和 木星 一样 也 都是 太阳系 里 的 尘埃, 虽然 因为 个头 小, 大气层 要 稀薄 得多,但 成分 都是 差不多 的.
所以, 那时候 所有 的 地球 生物, 也 都只 知道 如何 在 还原 性 的 环境 里 生存.

地球 形成 早期, 大气 成分 以硫氢氢氢 Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter,

地球 形成 早期, 大气 成分 以硫氢氢氢 Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter Peter,

但是 后来 自由 氧 出现 了. 一 开始, 它 和 海洋 里 四处 游荡 的 二 价 铁 结合, 变成 不 溶于 水 的 三 价 铁 沉淀 下来. 氧 越来越 多, 铁 越来越 少, 直到 最后 几乎 所有的 铁 都 沉淀 了. 它们 变成 了 红色 条纹 状 的 铁矿石, 这 是 地壳 里 储量 最大 的 铁矿.

与此同时, 海洋 里 的 硫 离子 也 几乎 都 被 氧化. 没 了 铁, 没 了 硫, 容易 的 电子 来源 消失, 旧 的 光合作用 路线 就 这么 "断粮" 了.

更 可怕 的 是, 氧气 是 一种 破坏性 极强 的 气体. 你 或许 听说 过氧 自由基, 今天 的 生物 有 全套 方案 应付 它 的 危害, 当年 的 生物 什么 都 没有.

结果 是, 随着 水域 的 氧 含量 逐渐 上升, 这里 的 生物 就 遭受 一次 次 清算. 每 一次 必定 都 伴随 着 大片 死亡, 只有 极 个别 生物 运气 好, 勉强 突变 出 抵抗 更多 氧气 的 办法, 逐渐 学会 在新世界 生存. 还有 少量 生物 存活 在 氧气 未能 触及 的 深海 或 泉 口, 依然 留存 着 曾经 的 生命 面貌.

今天, 海底 是 一种 极端 环境, 但 那里 也 有着 不 一样 的 生物 多样性. 左图 为 热 泉 附近 的 巨型 管虫 (Riftia pachyptila); 右图为 喷发 着 的 深海 热 泉.图片: NOAA Photo Library

今天, 海底 是 一种 极端 环境, 但 那里 也 有着 不 一样 的 生物 多样性. 左图 为 热 泉 附近 的 巨型 管虫 (Riftia pachyptila); 右图为 喷发 着 的 深海 热 泉.图片: NOAA Photo Library

侵占 了 海洋 还 不算 完, 氧气 还要 占领 天空. 原本 地球 大气 里 的 甲烷, 一 点点 都 被 氧化 消耗 殆尽. 甲烷 是 一种 极其 强力 的 温室 气体, 弥补 了 年轻 太阳 的 光照 不足; 没 了甲烷, 地球 就 陷入 了 长达 3 亿 年 的 超级 冰期, 整个 行星 从 两极 到 赤道 都 被 冰雪 盖住.

生命 史上 最 惨烈 的 一次 灭绝, 就 这样 诞生 在 一种 看不见 的 微生物 和 一个 简单 到 不能 更 简单 的 分子 之 手.

然而, 它们 也是 地球 的 救命恩人.

没有 氧气 就 没有 有氧 呼吸, 生命 就 失去 了 它 最 强力, 最 高效 的 能量 来源; 而 没有 高效 能源, 就 支撑 不起 多层 食物链 和 大 体型, 就不 会有 捕食者 和 被 捕食者 的复杂 生态 关系 和 军备竞赛, 不会 有 羚羊 和 猎豹, 不会 有 手 和 脑.
但 这些 都不 是 最 重要 的 事情. 没有 氧气, 就不 会有 这颗 我们 熟悉 的 蓝色 星球.

金星, 地球 和 火星 在 太阳系 中 的 位置 相差 不远, 形成 时 的 化学 成分 也 几乎 一样. 但 地球 是 蓝色 的 星球, 表面 盖满 了 海洋. 金星 和 火星 却 没有, 它们 的 水 被 太阳 吹 跑了.

金星, 地球 和 火星. 图片: NASA

金星, 地球 和 火星. 图片: NASA

紫外线 波 长短, 破坏 力强, 它 能够 在 没有 任何 外来 帮助 的 情况 下 把 水 打碎, 变成 氢气 和 氧气, 逃逸 到 地球 大气层 中. 氧气 会 寻找 附近 可氧化 的 东西 氧化 掉, 然后 缓慢 地 遁入 地层, 被 重新 吸收. 但 氢气 太轻 了, 只有 木星 那样 的 巨人 能 拉住 它; 地球, 金星, 火星 的 引力 都 不够 把 它 留 在 大气层 里, 只能 眼睁睁 看 它 进入 太空 一去不返.

这个 过程 无法 逆转. 任其发展 下去 的 话, 早晚 有 一天 行星 上 的 水 会 丢光.

产 氧 光合 蓝 菌 改变 了 这 一切. 它 在 天文 尺度 上 很 短 的 时间 里, 一口气 制造 出 大量 氧气, 依靠 饱和 攻击 压倒 了 整个 地壳 的 吸收 能力, 剩下 的 还 足够 塞满 地球 的 大气 圈. 同时, 空中 形成 了 臭氧层, 对 上 拦截 太阳 的 紫外线, 对 下 拦截 飘 上去 的 氢气, 从而 保护 了 地球 的 蓝色 海洋, 也 保护 了 未来 的 所有 生命.

大气 中 的 气体 散射 蓝色 光 较多, 所以 从 外层空间 看, 地球 就有 一层 蓝色 光晕, 也 正 为此, 天空 大多数 时候 是 蓝色 的. 图片: NASA

大气 中 的 气体 散射 蓝色 光 较多, 所以 从 外层空间 看, 地球 就有 一层 蓝色 光晕, 也 正 为此, 天空 大多数 时候 是 蓝色 的. 图片: NASA

今天, 产 氧 光合 蓝 菌 依然 是 这颗 星球 上 最 重要 的 类群, 而 原 绿 球菌 又 是 其中 最为 繁多 的. 原 绿 球菌 个体 极其 微小, 还能 用 硫 脂 代替 磷脂 构成 细胞膜, 让它 能 在营养 十分 匮乏 的 水域 里 生存. 每一 毫升 海面 的 海水 里 大约 有 10 万 个 原 绿 球菌; 全世界 总数 大约 有 10 H 27 个, 多 过 宇宙 间 的 群星.

而 它 依然 在 延续 数 十亿 年前 的 古老 使命. 海洋 原 绿 球菌 产出 全世界 约 13% ~ 48% 的 氧气; 加上 其他 海洋 浮游生物, 贡献 量约 在 50% ~ 85%. 如果 它们现在 消失, 剩下 的 几乎 所有 生态 系统 都 将 彻底 洗牌; 如果 它们 从未 存在, 剩下 的 几乎 所有 生态 系统 也 都 不会 诞生.

海洋 原 绿 球菌 及其 所在 的 海洋, 提供 了 如何 地球 上 的 大部分 氧气. 图为 电 镜下 菌株 MIT9215 的 球菌 个体 及其 培养基. 图片: Chisholm Lab / flickr

海洋 原 绿 球菌 及其 所在 的 海洋, 提供 了 如何 地球 上 的 大部分 氧气. 图为 电 镜下 菌株 MIT9215 的 球菌 个体 及其 培养基. 图片: Chisholm Lab / flickr

这 是 地球 上 最 不起眼 生物 的 故事. 它 一手 打造 了 生命 史上 最大 的 灾难, 也 一手 挽救 了 整个 地球 ​​生命 的 未来.

它 改变 了 世界.

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