8-12 亿万年前的生命“氧”成记_杨冬.pdf
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1、科技Science8百科知识 2023.07B今天,人们对氧气的存在已经习以为常。如果把时钟拨回到几十亿年前,回到生命刚刚在地球上立足的时代,我们会发现那时地球上根本没有氧气,地球大气的主要成分是甲烷、二氧化碳、水蒸气等。虽然地球上没有氧气,但宇宙中存在大量的氧元素。在衰老恒星的演化过程中,恒星核心通过核聚变合成了氧,所以宇宙中氧的含量还是比较丰富的,仅次于氢和氦。不过,因为氧特别容易和其他元素发生化学反应,所以绝大部分的氧是以某种化合物的形式存在。这类化合物被称为氧化物,其中最常见的就是水(H2O)。亿万年前的生命“氧”成记 杨 冬科技Science8百科知识 2023.07BScience
2、科技9百科知识 2023.07B据科学家推测,在地球诞生的早期,其表面有大量的水。也就是说,在几十亿年前的地球上,已经形成了浩瀚的海洋,但是没有氧气。地球上演化出的第一批生物从未见过氧气,它们通过无氧呼吸获取能量,同时利用化学能合成身体所需的有机物,其中一类化学能来自海底火山口。科学家通过研究海底火山口发现,其喷发的物质为周围的厌氧微生物提供了化学能。在这些微生物的基础上,一个生机勃勃的生态系统逐渐在海洋深处形成,虾、贝壳、管虫等多种生物生活于其中。因此,可以推测,在远古时代,一些海底火山口附近也同样存在由各种微生物组成的生态系统,它们可能是最早的地球居民。蓝细菌开启“大氧化”时代与仅存在于海
3、底火山口的化学能相比,太阳能是地球上更为普遍的能源来源。现在,地球上的大部分生物依赖太阳能生存和繁衍。例如,植物可以利用太阳能将二氧化碳转变成有机物,这一过程就是光合作用。为了将二氧化碳转变为有机物就要设法还原二氧化碳,给二氧化碳提供电子。细胞中进行光合作用的叶绿体可被视作一个“泵站”,它利用太阳能提供的能量(类似于抽水泵利用电作为能量),从某个电子供体中抽取电子提供给二氧化碳。在距今约 30 亿年前,蓝细菌(也称蓝藻)“发明”了利用水作为电子供体支持光合作用的“技术”。也就是说,蓝细菌利用太阳能将水的氧原子的电子夺走,再传递给二氧化碳。这一过程必然伴随着水被不断地裂解并释放出氧气。所以,随着
4、蓝细菌的繁殖,氧气就被源源不断地释放出来。一开始,氧气刚刚释放出来就会被消耗掉,这是因为氧气会与当时地球上还普遍存在的还原性物质(如氢气、铁等)进行反应,从而又回到了某种化合物的形态。当这些“缓冲物质”被耗尽后,氧气就逐渐在地球大气中积累。随着时间的推移,地球大气中终于出现了一定浓度的氧气。这段时期被称为“大氧化”时代,发生在距今约 24 亿18 亿年前。蓝细菌9百科知识 2023.07BScience科技科技Science10百科知识 2023.07B“大氧化”对于绝大部分厌氧生物而言是灭顶之灾。这些生物从未见过氧气,当然也不会利用氧气。对它们而言,氧气是有毒的,氧气会与其细胞中的各种生物分
5、子发生反应,破坏细胞的正常功能。所以,“大氧化”必然伴随着一波“大灭绝”。同时,氧气浓度的上升又给地球的生命体指出了一条新的演化道路如果能利用氧气氧化有机物,那么这种生物便可以得到更多的能量。在这种情况下,能够利用氧气的生物会拥有更大的优势,它们的后代会逐渐在生物圈中占据统治地位并深刻地影响地球生物的演化历程。线粒体竟然来自远古的细菌生物如何利用氧气获取能量呢?这还要从有氧呼吸谈起。有氧呼吸是利用氧气氧化有机物获得能量的活动。在有氧呼吸的过程中,有机物通过化学反应“贡献”出它们的电子,细胞的“膜”上的一系列由蛋白质构成的分子机器则会将电子传递给氧气,使氧原子与氢原子结合形成水。这一电子传递过程
6、与光合作用刚好相反,可以将其比作水电站发电,在“膜”上流动的电子是水流,“膜”上的分子机器则是水电站的水轮机。水轮机可以将水下落的势能转变成电能,而细胞里的水轮机输出的能量又以什么形式存在呢?科学家研究发现,在有氧呼吸的过程中,当电子在“膜”上向氧气流动时,细胞中的分子机器向“膜”的一侧泵出质子(也就是氢离子),从而在“膜”两侧建立质子浓度差,并利用浓度差驱动腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)合成酶,从而进一步合成大量的 ATP。细胞中的水轮机就这样将流动的电子产生的能量转换为以ATP 形式存在的能量。利用 ATP 的水解,细胞可以完成各种耗能的化学反应。对于细菌来说,上述过程发生在细菌的细胞膜上,前
7、文所述的“膜”就是指细胞膜。复杂的、多细胞生物(如动物)的细胞结构和细菌有较大区别,它们的细胞在漫长的演化过程中“并购”了细菌,细菌的后代逐渐演化为细胞中的一个“部门”线粒体,有氧呼吸就发生在线粒体的膜上。线粒体是细菌的后代吗?如果人体细胞里有细菌的后代,那么病原体不是已经潜藏在人体中了吗?提起细菌,人们常常会认为它们都属于病原体。如果真的有某种致病细菌(如肺结核分枝杆菌)藏在人体细胞里,那么的确有可能引发疾病。然而,根据“细胞内共生”假说,在亿万年前,有一些细菌早已和我们远古时代的祖先达成了“协议”细菌与生物细胞共同繁殖、演化,可谓“共命运,共荣辱”。这些远古的细菌实际上已经成为了“我们”的
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