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蓝藻的那些事系列①紫色星球—远古生命厮杀的战场

2021-02-19


  树叶为什么是绿色的?人类下意识的反应是,是因为叶绿体进行光合作用。但是绿色植物其实有一个巨大的bug,植物之所以呈绿色,是因为他们反射了太阳光中的绿光。换言之他们不吸收绿光,然而太阳光中绿光的光子偏偏是最丰富的,为何绿光会被生物界中最主要的生产者集体抛弃了呢?



  2007年,马里兰大学微生物遗传学家达斯萨尔玛,对此提出了一个有趣的假说,如果属实大自然中一切的自然都不是那么自然,一切都是生命数十亿年演化中留下的印痕。故事还要从那年深海热泉口中散逸出来的那两个细胞开始说起,这两个细胞迅速繁衍出生物界最初的两个家族真细菌和古菌。




  不过在那场后来改变地球面貌的阋墙之战前,他俩还有生存问题继续解决。自由不免费,脱离了深海热泉口,也就意味着脱离了热源中源源不断的物质与能量供应。物质还好说,合成生命所需的二氧化碳、硫化氢与甲烷等等,在洪荒的地球海洋中多多少少都有点存货,但火山能量却不可能打包带走。于是演化之手渐渐将一个更为取之不竭的能源推到了那些古老生命之前——太阳。在漫长的演化中,有一支细胞偶然合成了一种特殊的分子——视黄醛。借助于这种特殊的分子,古菌可以利用太阳的光维持自己细胞内的偏碱性,从而让细胞膜内外总是维持一定的酸碱度差异,从而模仿当年深海热泉口中的酸碱中和反应,来为细胞活动提供能量。实际上直到今天,我们的眼睛也是靠着视黄醛采用差不多的原理将光转化为神经信号。而在那个洪荒世界,抢先拥有了阳光,就拥有了一切,于是这一支生命迅速扩张到了全世界。只不过这一支拥抱光明的先驱却和我们今天所说的植物毫无瓜葛,他们利用光的原理与我们今天所说的光合作用大相径庭,确切说他们是一群古菌,他们也并非绿色,由于视黄醛会强烈吸收太阳光中最丰沛的绿色光谱,所以这些古菌会呈现出艳丽的紫色,是的达斯萨尔玛所提出的那个假说,就叫“紫色地球假说”,在他的构想中,大约35亿年到24亿年前的地球是一个被古菌渲染成的紫色世界,海洋、河川、滩涂,但凡一切生命立足的地方都覆盖了一层厚实的紫色军毯,为那个没有氧气,处处弥漫着硫化氢的焦臭地球带来了最初的盎然生机。




  然而这并非是生命的田园牧歌,在这厚实的菌毯之下,却有另一股势力正在悄然积蓄着力量,他们属于当年深海热泉口古生物的另一只后代——真细菌。他们当然也想利用光能,然而来自太阳的能量经过紫色古菌的层层盘剥,大部分绿光早已被吸收殆尽,留到菌毯底层的就只剩下微不足道的毫末。这些真细菌只能从这光能的残渣中苦苦追寻着生的希望,由此他们选择了另一类叫做“卟啉”的小分子,这些分子可以吸收古菌弃之不用的紫光,却几乎无法吸收绿光,故而容易呈现出蓝绿色。但只有能量还不够,生命还需要物质,早期生命大都也学会利用太阳能拆接触硫化氢中的氢原子,将其赋予给二氧化碳来制造有机物,尽管在当时的地球上,硫化氢随处可见,但对于压迫于菌毯之下的真细菌们也是渴望难及,退一步便是灭绝,数亿年的反抗最终淬炼出了一类神奇的细菌,他们叫蓝藻。




  这些细菌钻研出了一套极其复杂的光合系统,得以利用起了其他生物都无法利用的分子—水。它们就靠着透过菌毯的极少数光子,积聚能量,劈开水分子,从中夺去了合成有机物所必须的氢原子,真正的光合作用从此登上了历史舞台。而一场毁天灭地的末日之战也从此拉开了序幕,水分子在被夺去了氢原子后所留下的正是氧气。一开始这毫无问题,地球上无处不在的亚铁离子、硫化氢等等,会迅速吸收掉地表的任何氧分子。然而在这一望无垠的紫色菌毯覆盖之下,无数蓝藻夜以继日地从艰难渗透过来的毫末阳光中汲取能量,制造氧气。这场艰难的光合作用持续了十亿年,十亿年氧气的打击终究耗尽了地球表面的一切还原力,海洋里的几乎每一个亚铁离子都氧化成了铁锈沉积到海底,形成了今天地层中的“带状铁层”,空气中的每一个硫化氢分子都被氧化,并随着雨水沉积到地面形成了硫酸盐沉积。在26亿年前,当游离的氧气终于出现在大气中的那一刻,一场打翻了一个旧世界的革命就此拉开了序幕,后人称之为“大氧化事件”。
  氧气弥漫宛如死神过境,而死神面前,无人可以例外,不论他是紫色还是绿色。氧气本身就是生命的大敌,因为氧气会无差别地氧化构成生命的物质基础、有机质,但这还只是个开始,氧气还毁灭了大气中的甲烷,而甲烷是一种比二氧化碳还要强二十多倍的温室气体。刚巧在25亿年前左右地球的火山活动又陷入了一个低谷期,于是地球气温骤然暴跌,进入了自地球诞生以来最猛烈的一次全球变冷——休伦冰河期。极寒的封冻终究寂灭了世间的一切纷纷扰扰,末日之战,没有赢家。曾经壮观的菌毯从此深埋地下,经过数十亿年地址变迁演变成一种叫做“层叠石”的化石,宛如一座座墓碑,无声地祭奠着曾经属于他们的紫色王朝。



  生命总会找到出路,在这场跨越数十亿年的浩劫中,有一些细菌最终适应了有氧环境,甚至有的细菌解锁出了有氧呼吸的能力,他们也许是蜷缩在寒冰难以靠近的深寒热泉口附近,保存那生命仅存的烟火。熬过三亿年的漫漫寒冬,休伦冰河期的冰川终于消融,和煦的阳光再度洒在蓝藻的绿色菌毯之上。在这个充斥着氧气的新时代,再不会有任何的紫色古菌和他们争夺光能。可以它们以卟啉为核心的光合系统,在那个只能吸取古菌弃之不用的绿光年代里,演化了数十亿年早已固化。由此构建出来的光合系统从底层上就无法利用绿光,他们的后代最终给今天的世界留下一个反直觉的绿色世界。而他们对自然规律的改变远不如此,有氧呼吸为生命带来了前所未有的强劲能源,在此基础上复杂细胞乃至多细胞生物终于得以成为可能。更重要的是,曾经的地球大气完全无力阻隔紫外线。而紫外线原本可以将水分解成氢气和氧气,而地球引力无法束缚住氢气。因此,如果任由此外线持续轰击,地球早晚有一天失去所有的水份,但日益浓厚的氧气,最终在地球上构建成了一层名为臭氧的屏障,最终守护住了所有的水份,这大概也算是杀生以护生了。

  美国旧金山湾附近的盐湖一直以来吸引着四方的游客,当地的奇景就是那粉色的湖水。而造就这奇观的就是一类被称之为“噬盐古菌”的微生物,而他们正是那些紫色古菌的后代。这些古菌在漫长的演化中从真细菌那窃取了一些抗氧化的基因,从而在新时代苟活了,他们躲在了宿敌细菌难以生存的极端环境中,却仍然像他们三十亿年前的祖先一样,利用视黄醛从绿光中运转能量。他们曾经属于大海,如今只能困于水洼,诉说着曾经的洪荒往事。