24亿年前,毒害地球生命氧气,来自何方.docVIP

24亿年前,毒害地球生命氧气,来自何方 　　这颗星球正处于危机之中。死亡无处不在，散发出铺天盖地的恶臭。生命之树的所有枝杈几乎都被清洗一空，曾经鲜活的生命变成了逝去的记忆。造成这一切的罪魁祸首，仅仅是一种气体，一种非常成功的物种排入大气的废气。欢迎来到24亿年前的地球。 　　距今24亿年前，可以说是生命历史上最为动荡的一段时期。生命已经在地球上繁荣发展了10多亿年，然而，一种新的单细胞生物在此时华丽登场。它们可以利用太阳能，利用过程中却会产生有毒的副产品—氧气。这种单细胞生物迅速在原始海洋中繁衍到了一个不可思议的数量，大气成分也因此改变。 　　那是一场灾难。在数次生物大灭绝事件中，氧含量上升毁灭的物种比例很可能高居魁首。尽管如此，氧气的危险特质—高活性，也使得它能够成为一种丰富的能量来源。生命很快就开始开采这座宝库，我们的动物祖先也在其中。 　　远古光合作用 　　过去的10年来，我们对地球历史这一阶段的认识，发生了大逆转。教科书会告诉你，光合作用甫一出现，氧含量就开始攀升。但是，据我们现在所知，有些生物早在34亿年前就能进行光合作用，这比氧含量上升要早得多。问题在于，为什么氧气会在那么久之后，才喷涌而出？ 　　本质上，光合作用就是“收割”太阳能。植物利用太阳能制作食物，把二氧化碳变成碳链。这一过程中产生的糖类可以用作能源，也可以用于制造从蛋白质到DNA不等的各种更复杂的分子。可能与你所预期的不同，产生氧气并非不可避免。事实上，许多细菌都可以不用产生氧气，就把光能和二氧化碳转化为食物。而且，近期的研究表明，细菌这种光合作用的历史，几乎和地球生命史一样悠久。 　　2004年，当时任职于美国加利福尼亚斯坦福大学的迈克尔·泰斯（Michael Tice）和唐纳德·罗威（Donald Lowe），在 　　南非研究距今34.1亿年前形成于浅水中的岩石时，发现一种化石结构与现代光合细菌形成的微生物席非常类似，但是没有任何氧气产生的迹象（参见《自然》杂志，第431卷，549页）。对此，他们认为最可能的解释是，这些细胞进行的是不产生氧气的光合作用。 　　从这一发现起，我们开始真正接触到早期光合细菌。2011年，英国牛津大学的马丁·布雷泽（Martin Brasier）及其同事在澳大利亚西部的岩石中发现了距今34.3亿年前的细菌细胞化石（参见《自然·地球科学》，第4卷，698页）。“它们生活在光照良好的潮间带或潮上带，”布雷泽说。岩石的化学组成，以及充足的光线，充分表明这些细胞中有些能进行光合作用，却不产生氧气。 　　不产生氧气的光合作用出现得如此之早，似乎相当令人惊讶。现在已知最早的化石，形成于距今34.9亿年前，仅仅比它们略早一点。在英国伦敦大学学院研究生命起源的学者尼克·雷恩（Nick Lane）认为，一旦生命演化到能够依靠化学能为生，转而利用太阳能其实算不上什么飞跃。“实际上，光只是让电子流过同一台设备而已，”他说。 　　对于雷恩这样的研究人员来说，谜题在于，为什么产生氧气的光合作用要经过如此漫长的岁月才演化出来。产生氧气的光合作用出现在大约24亿年前，可能比不产生氧气的光合作用晚了10亿年。明明更具优势，为什么它会如此姗姗来迟？ 　　光合作用分为两个主要步骤。在第2步中，电子进入二氧化碳，帮助把二氧化碳分子转化成糖类。而第1步则是获取这些电子，也就是从一种分子上剥离出电子，用来产生驱动第2步所需的电化学梯度。 　　10亿年的延迟 　　在产生氧气的光合作用中，由水分子提供电子。剥离电子的过程使水分子裂解为氢离子和氧。在把二氧化碳转化为糖类的过程中，氢离子和电子起着至关重要的作用，而氧气则是一种没什么用的副产品。 　　在不产生氧气的光合作用中，电子由其他种类的分子提供，其中最为普遍的是硫化氢。裂解硫化氢产生的副产品是硫。硫化氢具有非常容易失去电子的优点，或者说非常易于氧化。而且在早期海洋中，硫化氢也很常见。不过，在不产氧的光合作用发生的表层水域，硫化氢估计很快就被消耗一空了。 　　用水提供电子的最大好处是，水在海洋中可谓取之不尽用之不竭。但是，水的缺点也不小。“氧化水非常困难，”美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学的罗伯特·布兰肯西普（Robert Blankenship）说。我们现在依然在为之努力：研究人员已经进行了数十年的尝试，希望开发出一种廉价高效的裂解水的方法，以生产氢气作为燃料。 　　因此，在选择水之前，光合细菌最先选择容易氧化的物质，也就合情合理了。传统观点认为，产生氧气的光合作用，是经过一系列中间阶段，逐渐从不产生氧气的版本演化而来的。布兰肯西普和很多研究人员都支持这一观点。 　　产生氧气的光合作用是如何出现的，所有与此有关的假设都不能绕过以下4个具有重要意义的事实。事实1：不产生氧气的光合作用