白　楊

加拿大阿爾伯塔大學(xué)的庫爾特·康豪瑟爾研究小組最近發(fā)表研究結(jié)果稱，在27億年前地球上出現(xiàn)單細(xì)胞生物的時候，大氣里的氧氣突然增多。由此形成了地球環(huán)境中的“大氧化事件”，并促進(jìn)了地表環(huán)境的改變和高級生命誕生。這是地球生命進(jìn)化的一個重要轉(zhuǎn)折點。

兩種因素的巧合

康豪瑟爾得出“大氧化事件”的結(jié)論是源于兩種物質(zhì)的巧合，即鎳和產(chǎn)甲烷細(xì)菌。它們之間是一種什么關(guān)系呢?

鎳是確保產(chǎn)甲烷細(xì)菌生存的重要元素。如果缺少鎳，對產(chǎn)甲烷細(xì)菌至關(guān)重要的酶就會遭到破壞，從而導(dǎo)致產(chǎn)甲烷細(xì)菌死亡。而產(chǎn)甲烷細(xì)菌是破壞氧氣的重要微生物，它們在數(shù)億年間，一直阻止氧氣在早期的地球大氣里積聚。如果產(chǎn)甲烷細(xì)菌的數(shù)量大幅減少，則會使氧氣不受破壞，從而讓大氣中充滿氧氣，于是“大氧化事件”發(fā)生。

氧氣的產(chǎn)生是光合作用的結(jié)果。光合作用把陽光轉(zhuǎn)變成化學(xué)能和氧氣。在27億年前出現(xiàn)“大氧化事件”時，第一種光合微生物“藍(lán)綠”藻或者稱藍(lán)細(xì)菌大約已經(jīng)進(jìn)化了3億年。但是它們生成的氧氣很快就被數(shù)量更多的產(chǎn)甲烷細(xì)菌生成的甲烷破壞掉了。

研究人員分析水成巖發(fā)現(xiàn)38億年前早期地球上海洋里的鎳含量較高。但27億年前到25億年前，即“大氧化事件”開始的時候，鎳的數(shù)量急劇下降。鎳的減少為“大氧化事件”打下了堅實基礎(chǔ)。因為，鎳含量下降有效降低了甲烷生成。這就促使地球上的氧氣迅速增多，生命慢慢形成。而27億年前正是地球上出現(xiàn)單細(xì)胞生物的時候，也是早期大氣里的氧氣突然增多的時候。

所以，這種關(guān)系可以如此推理：鎳減少→產(chǎn)甲烷細(xì)菌死亡→甲烷生成減少→氧氣破壞減少→產(chǎn)生氧氣的微生物增多→氧氣大量產(chǎn)生(“大氧化事件”開始)→單細(xì)胞生物大量出現(xiàn)→生命從單細(xì)胞到多細(xì)胞發(fā)展→低級生物→高級生物。

那么，鎳是如何減少的呢?研究人員認(rèn)為，27億年前地殼降溫導(dǎo)致了鎳水平的下降，因為地殼降溫意味著很少有鎳通過火山爆發(fā)的方式進(jìn)入海洋。

同時，由于氧氣的大量出現(xiàn)，對地球地形和地貌的變化也起到了促進(jìn)作用。例如，氧氣的腐蝕作用促成了對巖石侵蝕，也形成了河流和塑造了海岸線，甚至把地球塑造成了圓形。不過，在康豪瑟爾得出“大氧化事件”結(jié)論之前，一些古生物學(xué)家認(rèn)為，地球上最為簡單的單細(xì)胞生物的礦化沉積物是在北冰洋底部找到的。這些原始生物生活在距今大約5.6億年之前。而在過了大約1000萬年之后，這些生物開始擁有了多細(xì)胞的復(fù)雜結(jié)構(gòu)并逐漸在海洋底部蔓延開來。又經(jīng)過2000萬年，多細(xì)胞生物開始發(fā)生分化，由于所處的生存環(huán)境存在著差異，它們便走上了不同的進(jìn)化之路。

其他研究的印證

實際上，把鎳、產(chǎn)甲烷細(xì)菌與氧氣增多聯(lián)系起來是一種推論，這當(dāng)然是以前沒有人考慮過的，但這種聯(lián)系是否真的是因果關(guān)系，不僅需要其他研究結(jié)果來證實，恐怕還需要化石或?qū)嵨锏淖C據(jù)來證實。

2006年，加拿大王后大學(xué)的考古學(xué)家蓋伊·納波恩等人提出了類似的觀點，但是氧氣迅速增加和生物大量出現(xiàn)的時間則要晚得多。

納波恩等人對北極冰層和北冰洋底部進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，在這里分布著大量史前生物的沉積物。通過使用放射性碳測定法對它們進(jìn)行鑒定，這些生物均出現(xiàn)在大氣中的氧氣快速積累后大約500萬年。而這個時候是在距今大約5.6億年前。由于地球大氣中的氧氣開始迅速積累，促進(jìn)了多細(xì)胞生物的發(fā)展。

蓋伊·納波恩認(rèn)為，在氧氣大量出現(xiàn)在大氣層中后，地球像是被接通了開關(guān)，山巒的景色開始變化，海洋中也出現(xiàn)了首批多細(xì)胞生命。在氧氣分子溶入海洋1000～1500萬年之后，那里也開始出現(xiàn)最為原始的浮游植物。

另外，納波恩也認(rèn)為他們的發(fā)現(xiàn)揭開了以前一個讓達(dá)爾文也感到困惑的問題，即為什么在500萬多年以前，地球上會突然出現(xiàn)大型動物?納波恩等人的回答是，大型動物的突然出現(xiàn)有可能是由于全世界海洋的氫氣含量急劇增加造成的。

在580萬年前的冰河世紀(jì)結(jié)束后不久，地球上的氧氣含量便急劇增加，伴隨著氫氣的增加，加拿大紐芬蘭的阿瓦隆半島上率先出現(xiàn)了大型動物。納波恩認(rèn)為，當(dāng)最古老的沉積物開始在阿瓦隆半島上聚積時，全球海洋中幾乎沒有或完全沒有多余的氧氣，而在那一段時期堆積的沉積物中根本沒有動物化石。但在冰河世紀(jì)過去后不久，有證據(jù)表明，大氣中的氧氣含量急劇增加，當(dāng)時的大氣含氧量已經(jīng)達(dá)到了現(xiàn)今氧氣含量的15％，而這一時期的沉積物中就出現(xiàn)了與最古老的大型動物化石有關(guān)的證據(jù)。

而且，在2002年時，納波恩和其研究小組在紐芬蘭島東南海岸的沙巖巖層之間發(fā)現(xiàn)了世界上最古老的復(fù)雜生物形態(tài)。這意味著地球上最早出現(xiàn)復(fù)雜生物的時間向前推移至575萬年前，而那時，冰河世紀(jì)的厚厚“雪球”剛剛?cè)诨痪?。在此之前，地球上的生物曾?jīng)經(jīng)歷了長達(dá)30億年的單細(xì)胞進(jìn)化過程。

納波恩研究小組的成員還包括來自丹麥南方大學(xué)的甘菲爾德先生和英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的西蒙·波爾特。他們的研究也只是說明，氧氣的大量出現(xiàn)使得約5.6億年前出現(xiàn)大量的單細(xì)胞和多細(xì)胞簡單生物，以后在575萬年前出現(xiàn)了復(fù)雜生物和大型動物，但卻沒有說明地球上的氧氣和氫氣的產(chǎn)生是與鎳和產(chǎn)甲烷細(xì)菌有關(guān)。

有氧呼吸和無氧呼吸

不過，納波恩研究小組對地球上氧氣增多的解釋與傳統(tǒng)的解釋比較吻合。

這種解釋是，冰河的融化增加了海洋中營養(yǎng)成分的含量，并導(dǎo)致單細(xì)胞有機(jī)生物發(fā)生增殖性細(xì)胞分裂，它們開始通過光合作用釋放氧氣，而地球上80％的光合作用是在海洋中發(fā)生的。深海里的植物也有葉綠素，只是含量較少而已。它們除了含葉綠素外，還含有藻褐素、藻藍(lán)素或藻紅素，這些色素蓋住了為數(shù)不多的葉綠素，而使它們并不呈現(xiàn)出綠色。太陽光照到海面上之后，陽光含有的7種波長的光便排著隊進(jìn)入了不同深度的海水。紅光是葉綠素最喜歡的，在海面上就被綠藻吸收了；而藍(lán)、紫光所具有的能量最大，可以穿透到深海中。藻紅素、藻藍(lán)素等雖然不能進(jìn)行光合作用，但它們吸收光之后，再把能量傳給葉綠素。加上海水中含有大量進(jìn)行光合作用的原料(二氧化碳鹽類、重碳酸鹽和水)，海洋中光合作用創(chuàng)造出的有機(jī)物比陸地植物創(chuàng)造的還要多七八倍。

于是，通過氧氣的增加，生物的進(jìn)化開始擴(kuò)展，并逐漸出現(xiàn)了復(fù)雜的濾食性動物群落，接著又出現(xiàn)了流動性的兩棲動物。最終，到了約540萬年前的寒武紀(jì)時期，地球上“爆炸性”地出現(xiàn)了大量的復(fù)雜生物和大型動物。

盡管研究人員目前對地球上氧氣突然增多的因果關(guān)系有不同解釋，但卻一致認(rèn)為，氧氣的大量出現(xiàn)的確是地球上許多生命出現(xiàn)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，也因此而讓地球有了今天豐富多樣的生物和適宜于人類生存的環(huán)境。這便涉及到生物的有氧呼吸和無氧呼吸。

最早的原始地球上，大氣中不含氧氣，那時的生物的呼吸方式都為無氧呼吸。當(dāng)藍(lán)藻等自養(yǎng)型生物出現(xiàn)以后，大氣中有了氧氣，才出現(xiàn)了有氧呼吸。有氧呼吸是在無氧呼吸的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，而且是青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。這主要體現(xiàn)在有氧呼吸的能量供應(yīng)和最終產(chǎn)物上。

有氧呼吸每分解1摩爾(mol)葡萄糖，可以釋放2870千焦耳的能量，其中有1161千焦?fàn)栕笥业哪芰績Υ嬖谌姿嵯佘?ATP)中，其余的能量都以熱能的形式散失了。而無氧呼吸分解1摩爾葡萄糖，卻只能釋放196.65千焦?fàn)柲芰?，其中?1.08千焦?fàn)柕哪芰績Υ嬖谌姿嵯佘罩?，其余的能量也以熱能的形式散失掉。對于需氧型生物來說，生命活動所需要的能量大部分由有氧呼吸提供，而無氧呼吸所提供的能量無法滿足維持生物生命活動的需要。從這點看有氧呼吸要優(yōu)于無氧呼吸。

另一方面，有氧和無氧呼吸最終產(chǎn)物不一樣。有氧呼吸的終產(chǎn)物是二氧化碳和水，對生物體是無害的。而無氧呼吸的終產(chǎn)物是乳酸或酒精和二氧化碳，對生物體有害。例如，乳酸會使動物出現(xiàn)一些不良反應(yīng)，如肌肉酸痛。乳酸過多可導(dǎo)致酸中毒，酒精則對植物細(xì)胞有很強(qiáng)的毒害作用。這些情況便能解釋為什么人和一些高級哺乳動物選擇了有氧呼吸，因為生物由原來的無氧呼吸變成了有氧呼吸，呼吸效率提高了大約19倍，而且有氧呼吸的最終產(chǎn)物對生物體無毒無害，所以需氧型生物得到迅速而蓬勃的發(fā)展。

“大氧化事件”的產(chǎn)生也形成了地球生物發(fā)展的另一個重要條件。過去沒有臭氧層的保護(hù)時，高能量的紫外輻射會對生命的本質(zhì)——核酸和蛋白質(zhì)造成破壞，難以產(chǎn)生生命并演化成更為復(fù)雜的生命。而大量氧氣產(chǎn)生后則吸收紫外輻射在地球中層大氣形成了保護(hù)地球的臭氧層，這便為海棲生物登陸發(fā)展以及演變成大量的陸生動物提供了可靠的安全環(huán)境。

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