时空手记

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革命家和刽子手——蓝藻细菌

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超视儿

30多亿年前,地球上几乎没有氧气,大气的主要成分是氮气、甲烷、二氧化碳等气体。水覆盖着地球的大部分表面,氧原子都被锁在水分子中。

大气中各种气体浓度变化

早期的微生物都在海洋中繁衍生息,它们是厌氧的原核生物,通过食用自己周围简单的分子来获取能量。随着时间的推移,当周围可食用的能量耗尽后,这些微生物陷入了生存危机,它们必须找到其他方式来获取能量。

蓝藻细菌

微生中的一些革命者,进化出利用太阳获得食物的能力——光合作用——它们吸收阳光中的能量,将二氧化碳和水分子结合起来,生成生命所需的能量和糖,并释放出氧气作为副产品。由于这些微生物含有叶绿素,身体呈蓝绿色,因此我们称它们为蓝绿细菌或蓝藻细菌。

蓝藻细菌结构

由于取得了生存优势,早期的蓝藻细菌在浅水区肆意蔓延,细菌生命活动所引起的周期性矿物沉淀、沉积物的捕获和胶结作用,形成了一个个叠层状的生物沉积构造,这个构造被称为叠层石(stromatolites)。最古老的叠层石发现于踞今约28亿年前的南非布拉瓦白云岩中。

叠层石

借助于开发光合作用,蓝藻细菌挺过了一场生存危机。但是,光合作用所释放出的氧气对于厌氧生物来说其实就是毒气,很多生命随着海洋中氧气的增加而渐渐消亡(有人将此形容为为“氧气大屠杀”),取而代之的,是一些进化出某种方式利用氧气的细菌。今天一些厌氧的生命依旧在生态系统中占有一席之地,但是主导着世界的,早已是喜氧的生命。

光合作用

蓝藻细菌的大量繁衍,也意味着不断有氧气作为废弃物排放到大气中,这导致大气中游离氧突然急剧增加,这个事件被称为大氧化事件(Great Oxygenation Event, GOE)。大气中的氧气开始与甲烷反应,甲烷是能够把热量锁在大气中,保持地球温度的气体,甲烷的大量消耗,使得地球温度迅速下降。
大氧化事件可能是导致地球进入休伦冰期(Makganyene),即第一次“雪球地球事件”的诱因。休伦冰期是地球上已知最长的冰河期,出现于24亿年前到21亿年前,持续了大约3-4亿年。

休伦冰期

蓝藻细菌通过光合作用产生氧气,经年累月——从大约30亿年前到20亿年前——大气中的氧气的比例从最初的大约1%增加到现在的20%到21%。直到今天,地球上每天大约一半的光合作用是由单细胞海洋浮游生物完成的,它们对维持大气的“碳-氧”平衡具有重要意义。
光合作用是生命史上极其重要进化事件。光合作用细菌的后代(即植物),可以直接获得太阳能,并且替那些食用植物的动物储藏能量,光合作用为生命的进一步发展奠定了基础。


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