能源利用變革推動進化

一系列建立在彼此之上的、自然或科技引發的能源變革造就了我們所處的豐富、多樣的生物圈。

來源 The Atlantic

撰文 Sarah Zhang

翻譯 劉威爾

審校 寒雨

「雨林之中」（老虎和公牛之間的搏鬥）——亨利·盧梭（Henri Rousseau）繪

身處現代社會，我們能夠隨時隨地享用玉米片和冰淇淋。這使得很多人忽略了一個事實：我們為維持身體運作所消耗的能量相當誇張，並且在地球歷史的絕大多數時間內都是不太可能得到滿足。

試想將人類丟進38億年前生命起源的原始湯中，他們將無以為食。那時的地球上沒有植物、動物，甚至沒有氧氣，人類只能靠喝池水或海水來祈求能夠滿足自身每天1600卡路里的能量需求。那麼，我們如何獲得生長在樹上和緩步在草叢中的食物，以獲取濃縮的能量來源呢？地球又如何最終成為一個能夠支持數十億能耗大、頭腦發達、溫血且直立行走的人類生存的行星？

在最近發表於Nature Ecology and Evolution雜誌上題為《演化中的能源擴張》（The Energy Expansion of Evolution）的論文中，Olivia Judson 提出連續能源變革理論，旨在解釋地球如何產生多樣化的環境，又如何維持從藍藻到雛菊再到人類等豐富的生命類群。

Judson 將地球生命的歷史劃分為5個能源時代，按順序分別為地球化學能源、陽光、氧氣、肉食與火。這是你在地理或生物教材上都找不到的全新模式，每個時代都解鎖了一種新的能量來源，同時伴隨著能夠利用這一能源並改變整個行星的新物種的產生。在新能源產生的同時，先前的能源也繼續存在，這就導致地球上的環境和生命類型不斷多樣化，Judson 將這一過程稱為「生命-行星系統的分步式構建（step-wiseconstruction of a life-planet system）」

演化過程中能源擴張的關鍵事件：(i)生命起源，地球化學能源時代開始；(ii)不產氧光合作用，陽光能源時代開始；(iii)藍藻出現；(iv)大氧化事件（Great Oxidation Event），氧氣能源時代開始；(v)真核生物化石可能的產生時間；(vi)紅藻化石出現；(vii)肉食能源時代的開始；(viii)維管植物定居陸地，地球上產生火；最終，燃燒的原木表示火能源時代的開始。（圖片來源：論文原文）

在37億年前的地球化學能源時代，最初的生物體「取食」水和岩石相互作用產生的氫氣和甲烷分子，從化學鍵中汲取能量。這種途徑的效率並不高，當時生物圈的生產力估計比現在低千倍甚至百萬倍。

陽光自始至終都照耀著地球，而當地球上終於演化出能夠利用陽光的微生物時，生物圈的整體生產力和多樣性都得到了提升。一種名為藍藻的特殊細菌演化出產生氧氣（O2）作為副產物的太陽能利用方式，並且產生了極為深遠的影響：地球因此獲得了能夠阻擋紫外線的臭氧（O3）層，由氧化作用形成的新礦物質，以及充滿了高反應活性氧氣的大氣層。

這一過程帶來了全新的氧氣能源時代。氧氣具有極強的化學活性，隨時都在尋找機會奪取周邊物質的電子。新的耐氧生物演化出保護自身免受氧氣影響的酶，同時也產生優勢：氧氣的極強化學活性使得這些生物的新陳代謝效率更高。在某些情況下，生物在有氧條件下從一個葡萄糖分子中獲取的能量比無氧條件下高出16倍之多。

更多的能量代表你能擁有更強的活動性，因此在肉食能源時代，活動能力極強的動物逐漸豐富起來，他們利用飛行、游泳、奔跑能力來捕獲獵物。「肉食」是濃縮能量的來源，富含脂肪、蛋白質和碳元素。

接著，一種特殊的動物發明了用火，那就是人類。火賦予我們烹飪的能力，讓我們有可能從相同的食物中獲取更多的營養；幫助我們鍛造金屬工具從而節省勞力；讓我們可以利用哈勃-博施法製備化肥，實現糧食的工業化生產；還使我們燃燒化石燃料以獲取能量。

以上僅僅是對論文的一個簡短總結，我還是強烈推薦大家閱讀全文。雖然發表在學術期刊上，但這篇文章仍具有極強的可讀性。論文的作者Judson是一個職業作家，她曾著有暢銷書《性別戰爭》（Dr.Tatiana s Sex Advice to All Creation），並且在最近擔任了The Atlantic出版的一本著作的審閱人。

除了文章總體的主題框架，這篇論文充滿了引人入勝、發人深思的細節見解。（我個人最喜歡的是作者將病毒描述為「死亡代理」，並指出其在早期微生物的演化中發揮了重要作用。）科羅拉多大學的微生物學家 Noah Fierer 評論說：「無論在哪個領域，任何能引起這種反響的文章都很酷，尤其當我們面對的是一群喜歡隨大流的疲憊的科學家時。」他還將這篇論文稱為微生物學學生的必讀篇目。

這篇論文是 Judson 在近十年來寫作的一本著作的濃縮精華。文章讀起來像是對眾多學科的多年研究的綜合，事實上也正是這樣。當我向 Judson 詢問她的著作時，她在這封郵件回復中描述了她的寫作過程：

多年來，我都在白忙，然後寫一些片段，不停閱讀文獻來搜集更多例子，外出觀察岩石構造或細菌的菌落，不停提出問題糾纏他人（其中有很多完全陌生的人，他們表現出了極大的慷慨），煩擾我的朋友，然而又是白忙一場。於是我請求指導，繼續寫更多的片段，直到有一天，我經歷了一個美妙的時刻：所有的素材突然在我腦海里重新排列，形成了一個全新的格局。這一刻發生在我在法國一個研究所的演講之後。那一天的晚些時候，我正和一個朋友聊天，腦海里突然閃現出「能源擴張」這一模式。我明白該如何組織這本書了。

Judson 表示，受這種「找到了！」的感覺鼓舞，她決定把她的想法寫成科學論文。同行評議的過程更是將她和其它思考同樣問題的人聯繫到了一起。「能找到另一個志趣相投的人令我們非常驚喜。」英國埃克塞特大學的地球系統科學家Timothy Lenton這樣告訴我。他為期刊評閱了Judson 的文章，並且也曾寫過針對能源變革的文章。兩位科學家從此建立了聯繫。

美國國家航空航天局埃姆斯研究中心（NASAAmes）的天體生物學家 LynnRothschild 告訴我：「文章唯一討厭的地方就是，我不曾想到要寫這樣的文章。」 Judson 在文章的最後猜測，宇宙中的其它生命-行星系統可能也經歷過一系列的能源擴張。如果我們想要尋找地外生命，就不應該只尋找與現在的地球相似的行星，Rothschild多年來也都保持著這一觀點。她說：「當人們談論要尋找一個類地行星時，他們說『這個行星必須擁有氧氣』，而我總會說『你們瘋了嗎？』，如果你面對的是幾十億年前的地球，你根本不會發現氧氣。」

因此，地球幾十億年來的演化可能會為我們尋找更簡單形式的生命提供藍圖。但一個比地球經歷過更多能源擴張的行星會是什麼樣子？換句話說，地球下一步會變成什麼樣子？

這一問題的一種提出方式是，什麼樣的革新會引領我們進入下一個能源時代，並在環境中留下它的印記；另一種方式則是，在下一個能源時代中生命會以什麼形式呈現，即哪些生命形式會滅絕，而哪些生命形式將最終成為可能。畢竟，現階段呼吸氧氣、食肉、用火的人類物種是經過了幾十億年時間、經歷多次能源擴張才在地球上成為可能的。

文章鏈接

論文基本信息：

【題目】The energy expansions of evolution

【作者】Olivia P. Judson

【期刊】Nature Ecology & Evolution

【日期】28April 2017

【摘要】

Thehistory of the life–Earth system can be divided into five 『energetic』 epochs,each featuring the evolution of life forms that can exploit a new source ofenergy. These sources are: geochemical energy, sunlight, oxygen, flesh andfire. The first two were present at the start, but oxygen, flesh and fire areall consequences of evolutionary events. Since no category of energy source hasdisappeared, this has, over time, resulted in an expanding realm of the sourcesof energy available to living organisms and a concomitant increase in thediversity and complexity of ecosystems. These energy expansions have alsomediated the trans- formation of key aspects of the planetary environment,which have in turn mediated the future course of evolutionary change. Using energy as a lens thus illuminatespatterns in the entwined histories of life and Earth, and may also provide aframework for considering the potential trajectories of life–planet systemselsewhere.

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