探索氧气起源奥秘:蓝细菌触发地球大氧化事件

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2015.07.07 07:10:11

1 / 11新浪科技讯 北京时间7月7日消息，据国外媒体报道，研究发现，在大约24亿年之前，地球的大气中是没有氧气的。那么，我们如今所呼吸的氧气是何时出现的？又是如何出现的呢？图为“大氧化事件”改变了地球生命的演化进程。

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探索氧气起源奥秘：蓝细菌触发地球大氧化事件

新浪科技讯 北京时间7月7日消息，据国外媒体报道，研究发现，在大约24亿年之前，地球的大气中是没有氧气的。那么，我们如今所呼吸的氧气是何时出现的？又是如何出现的呢？现在，让我们跟随科学家进入“时光机器”穿越回到24亿年前，去考证改变地球演化进程的最重大事件之一--“大氧化事件”的发生原理和时间，探索氧气起源的奥秘。

如果真的能够穿越回到24亿年前甚至更为遥远的过去，你就会发现处境并不那么美好。那时的地球上连可以呼吸的氧气都没有。除非你带了呼吸设备，否则你将会在几分钟内窒息死亡。在地球的前半生，大气层中没有氧气。这种支持动物生命存在的气体出现于大约24亿年之前，“大氧化事件”的发生彻底改变了地球生命的演化进程，成为地球历史上发生的最重大事件之一。

如果没有“大氧化事件”，地球上将不会有昆虫、鱼类，当然也不会有我们人类。数十年来，科学家一直想弄清楚最初的氧气是何时出现的以及如何出现的。科学家曾经长期怀疑是生命体自身产生了氧气。如果这些最新提法被证明可信的话，那么在“大氧化事件”之前，生命体本身就已经在进行了一场惊人的演变。这一演变可能是探索氧气起源之谜的关键环节。

“大氧化事件”发生时，地球已形成大约20亿年。当时，地球上可能只有单细胞有机体。对于地球生命出现的确切时间，目前仍不是非常清楚。但是，目前已知的最早微生物化石可以追溯到35亿年前。这就意味着，生命出现的时间可能比“大氧化事件”至少早10亿年。这些最初的简单生命形态可能是“大氧化事件”的主角。它们已经进化出可以从阳光中汲取能量的本领，并能够通过阳光的能量利用水和二氧化碳制造糖。这就是所谓的光合作用，也就是如今绿色植物的重要功能之一。

数十亿年前的蓝细菌可能也是利用这一化学方法。从细菌的角度来说，光合作用也有恼人的副作用，那就是会产生一种废物--氧气。氧气对于它们来说是毫无用处的，就被释放到了空气中。因此，这也可能成为了“大氧化事件”的一个简单的解释。蓝细菌释放出无用的氧气，从而改变了地球的大气构成。但是，这一说法只是解释了它是如何发生的，并没有说明为什么会发生，当然也没有讲清楚它是何时发生的。

问题在于蓝细菌出现的时间远早于“大氧化事件”。英国布里斯托大学科学家贝蒂娜-希尔梅斯特介绍说，“它们也许是地球上最早的微生物之一。”可以肯定的是，大约在29亿年前就已出现了蓝细菌。它们还有可能可以追溯到35亿年前，但是目前的化石记录不全，暂时还无法明确这一说法。

因此，这就意味着在氧气出现于大气中之前，至少在此5亿年之前，蓝细菌已经在不断释放出氧气。但是，大气构成似乎没有什么变化。一种解释认为，周围环境中有许多化学物质，也许是火山气体，不断与这些氧气产生化学反应，从而将这些氧气有效地清理掉了。不过，贝蒂娜认为，还有另一种可能性。也许是蓝细菌自身发生了变化。“蓝细菌通过进化，帮助它们变得更加成功、更加重要。”从细菌的标准看，现代蓝细菌的一些特征可以说是非常惊人的。大多数细菌都是单细胞的，但蓝细菌则是多细胞的。贝蒂娜介绍说，“许多蓝细菌能够产生特殊的细胞。这是许多动物才拥有的某种特殊细胞的简化版本，比如肌肉、神经、血液等。”

贝蒂娜认为，这种多细胞特征可能是地球早期的蓝细菌进行游戏交换的产物，它产生了许多可能的优势。与一些单细胞的竞争对手比，多细胞蓝细菌有一个明显的优势，那就是它更容易长大，较大的表面积意味着它能够更容易吸附于光滑的岩石上。“这样就不容易被洋流冲走。”许多现代多细胞蓝细菌可以在自己的微生物垫范围内到处移动。“虽然它们移动得不太快，但是可以移动。”这说明早期的蓝细菌也可以这样。运动性可以帮助它们更好地生存。当时，地球正受到太阳紫外线辐射的强烈袭击，因为当时还没有臭氧层可以保护地球。因此，可以说蓝细菌早在“大氧化事件”之前就已进化出多细胞特性。

贝蒂娜一直在致力于研究蓝细菌进化出多细胞特征的最早时间。线索在于它们的基因。通过对所有蓝细菌的基因进行检测并识别出它们之间细微的差别，贝蒂娜发现了它们之间的联系，并绘制了蓝细菌的系谱图。通过系谱图，贝蒂娜能够找到最早期的多细胞蓝细菌，并大概估算出它们最早出现的时间。2011年，贝蒂娜发表了第一份研究报告。贝蒂娜认为，现代蓝细菌大多源自多细胞祖先。这表明，多细胞特征很早已经出现，但是很难推算出一个确切的时间。

2013年，贝蒂娜发表第二篇研究论文，修正了自己的研究方法。第二份研究报告认为，蓝细菌进化出多细胞特征的时间并不比“大氧化事件”早太多，不过到了“大氧化事件”时，蓝细菌已经快速进入多样化阶段。但是，这一成果并没有终结所有争论。贝蒂娜的系谱图只是基于某一基因，尽管这一基因是所有种类的蓝细菌共同拥有的。这就意味着这个系谱图仍有不足之处。因此，贝蒂娜又开始尝试另一更佳方式。

贝蒂娜介绍说，“这一次，我开始对756种基因都进行研究。我所研究的基因存在于所有的蓝细菌中。”贝蒂娜估算的多细胞起源时间仍比较粗略，大约在“大氧化事件”之前2.5亿年。还有一些不同的方式可计算这种系谱图，它们都得出了相同的答案。贝蒂娜解释说，“无论如何校准我们的进化史，多细胞进化时间似乎都要比‘大氧化事件’来得早。”贝蒂娜的最新研究成果发表于《古生物学》杂志之上。

故事并没有结束。即使贝蒂娜的研究成果被确认，蓝细菌进化出多细胞确实刚好早于“大氧化事件”，仍然还有两大难题需要解决。首先，多细胞特征真的如贝蒂娜所说的那样给蓝细菌带来了生存优势吗？对于这一问题，现在还没有权威的说法，但我们可以通过试验尝试寻找答案。通过对现代单细胞和多细胞蓝细菌进行测试，看它们是如何应对不同的环境的。第二次问题似乎更难回答，为什么蓝细菌要用如此长时间才进化成多细胞？如果多细胞确实很有优势，那它们为什么不尽早向此进化，从而更早地引发“大氧化事件”。贝蒂娜表示，“下一步，我们要争取弄清楚究竟是哪些基因负责蓝细菌的多细胞进化。这样，我们就能够回答为什么要花费如此长时间进化，为什么不进化早一些诸如此类的问题。”

无论是何原因导致“大氧化事件”，很明确的是，“大氧化事件”都是地球演化史上最重要的事件之一。从短期看，这对于生命来说是坏消息。“氧气当时可能对许多细菌是致命的。这很难验证，因为根据化石记录，我们没有发现太多当时的沉积物。但是，我们可以猜测，当时可能死亡了许多细菌。”

但是，从长期来看，这一事件导致更多、更新生命的出现和进化。氧气是一种活性气体，因此当一些微生物学会如何利用它时，它们就能够立即找到一种新的能量来源。通过呼吸氧气，微生物开始变得越来越活跃，体积也会变得越来越大。一些种类也变得越来越复杂，变成了植物和动物，如昆虫、鱼类以及人类。如果贝蒂娜是正确的，最初的多细胞蓝细菌产生了全球范围的氧气，从而触发了复杂生命的进化。（彬彬）