細胞生物:光合作用的先驅藍藻,改變地球生命進程的「幕後綠手」

2020-12-23 小二侃大山

了解生命歷史,認識生命本質,探索生活真諦。大家好,我是小二,上期我們說到最早利用光能的古菌,它們在我們的眼睛裡留下了視黃醇,而現在的植物是利用葉綠素進行光合作用,古菌卻只能在某些極端環境中才能見到了,它們之間到底發生了什麼恩怨呢?

苟且偷生的真細菌

逃離「黑煙囪」的LUVA後代中,除了古菌還有另外一類細胞生物——真細菌,在它們還沒有想好怎麼利用光能的時候,古菌就已經開始通過視黃醇利用硫化氫和二氧化碳等製造有機物,並且獲得能量,而視黃醇會強烈吸收太陽光中的綠光,所以古菌很可能是紫色的。在那個搶佔了先機就能佔據地球最豐富資源的時代,真細菌只能在古菌形成的紫色菌毯下苟且偷生,透過海水和這些紫色菌毯的陽光,已經被盤剝掉了「最肥的一塊肉」,真細菌們只能選擇吸收除綠光外的光子

太陽光譜

說到這裡還是有必要詳細解釋一下光和顏色的問題,初高中物理中講過,我們能看到一個物體,說明這個物體本身發光或者能反射光,我們日常所見的大多數東西是不會發光的,我們看到的這些東西的顏色,其實就是它反射出來的光的顏色。所以視黃醇吸收了綠光等陽光中豐富的光子,古菌們就是紫色,綠色植物吸收了綠光之外的光子,反射了綠光,眼睛看到的植物就是綠色。現在很多生產者都是綠色植物,生物課也告訴我們,還有藍藻、硝化細菌等微生物也是生產者,前面提到的能利用古菌們用剩下的陽光的真細菌,就是藍藻,常見的有藍球藻、念珠藻、顫藻和髮菜。

藍藻細胞模式圖

有毒的氧氣

與紫色古菌利用光能的模式不同,藍藻們所採用的有機分子是卟啉,卟啉會和某些金屬離子形成絡合物,後來某種卟啉跟鎂的絡合物發展成了葉綠素,靠著卟啉藍藻們開始進行了我們現在所說的「光合作用」。眾所周知,光合作用的產物除了有機物之外,還有我們賴以生存的氧氣,但是細想一下,原始地球的大氣中沒有氧氣,原始生命是從「黑煙囪」裡誕生的,它們全都是不折不扣的厭氧生物。不過這會兒還用不著擔心,藍藻們製造的氧氣還很少,地球上無處不在的硫化氫和亞鐵離子會把氧氣中和掉,但是陽光取之不盡用之不竭,藍藻們日復一日在古菌們的紫色王朝底層製造著氧氣,這個過程持續了整整10億年!終於,10億年的氧化耗盡了地表的還原力,二氧化硫隨著雨水落到地面,形成了大量硫酸鹽沉積;亞鐵離子被氧化為鐵離子也沉積到了巖層之中……26億年前當游離的氧氣出現在地球大氣中時,時代變了。

帶狀鐵層

游離的氧氣會緩慢氧化它能接觸到的有機物,這個過程雖然不會像爆炸和燃燒一樣劇烈,但它卻是生命的大敵,有機物是構成生命的物質基礎,而有機物的緩慢氧化會造成生物的衰老和死亡,況且當時的很多生物還沒有適應有氧環境,這有毒的氧氣就像瘴氣一樣瀰漫在地球的每個角落,現在我們稱這場綠色革命為「大氧化事件」。剛巧在25億年前地球的火山活動進入了低谷期,原本烈火焚天的火山都變成了死火山,而光合作用還在消耗著二氧化碳,氧氣還在毀滅著甲烷,這些溫室氣體的耗竭直接導致地球進入了自誕生以來最嚴寒的時期——「休倫冰期」,在慢慢3億年的時間裡,地球從南北兩極到赤道全面冰封,成了一個名副其實的「冰球」,生命的進程也因此被改寫。

休倫冰期

改寫地球的綠色革命

也許有的生物躲在了類似「黑煙囪」的海底熱全口,它們在3億年的漫漫寒冬中挺了過來,並且適應了有氧環境,還開發出了「有氧呼吸」技能,而有氧呼吸分解有機物能夠給生命活動提供巨大能量,使複雜高等的多細胞生物成為了可能。而日益豐盈的氧氣也在地球大氣層中構建起了一道名為「臭氧層」的屏障,使地球上的生命和水分免遭紫外線的摧殘,這改寫地球的氧氣亦正亦邪,讓人又愛又恨。只是在地球的海面之上,再也看不見古菌們的紫色菌毯了,藍藻們臥薪嘗膽10億年,終究是顛覆了世界,而它們卻搶不回來那豐沛的綠光了,以卟啉為底層框架的光合作用在10億年的進化中再也回不去了,這場綠色革命也以一個綠色的世界而告終。

我們大可不必為古菌的沒落而憂傷,也不必為氧化帶來的衰老和死亡所焦慮。你看,古菌給我們留下了視黃醛,讓我們看清這個世界;真細菌給我們留下了綠色,綠色多護眼呀。所以與其想那麼多,不如過好眼前珍惜當下。希望看到這裡的小夥伴點讚、收藏,關注支持一下小編,感謝大家閱讀我們下期見。

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