現實版冰與火之歌：6億年前的地球爭霸戰到底多兇殘？

位於格陵蘭島南部的海姆達爾冰川

在大約7.17億年之前，地球曾是一個冰雪皚皚的星球，就連海洋表面也幾乎全都被凍結。那時的陸地仍然是一塊完整的超級大陸，上面覆蓋著超過一公里厚的冰層。

然後，這一切都發生了改變。洶湧噴發的火山向大氣中釋放了大量二氧化碳，後者捕獲了太陽的熱量，並引發全球變暖。覆蓋整個星球的冰殼逐漸消融，海平面的溫度上升到49-60攝氏度。

就這樣，到了6.59億年前時，地球從一個大冰球變成了超級溫室。又過了1400萬年，冰雪捲土重來，地球第二次變成了冰的世界。

對地球上的生命來說，這一曲冰與火之歌是一段極其重要的時期。

根據澳大利亞國立大學（Australian National University）研究人員約亨·布羅克斯（Jochen Brocks）的說法，這個過程釋放了大量的營養物質，讓海洋發生了永久性的改變，使其從一個由細菌統治的地方變成了藻類佔據主導地位的世界。

這些藻類反過來又徹底改變了海洋中的食物網路，為更大和更複雜生物體的進化鋪平了道路，其中就包括第一批動物。如果藻類時代從未降臨，地球就不會有今天的我們。

從細菌霸權到藻類霸權

藍細菌

在藻類之前，海洋是被細菌統治著。有一些細菌，比如藍細菌，可以利用陽光的能量來為自己製造食物，這個過程被稱為光合作用。在這樣做的過程中，它們生成了地球大氣中的大部分氧氣，而這構成了海洋食物網路的基礎。海洋那時是細菌的天下。

接著，在一次偶然事件中，一個古老的複雜細胞吞食了一個藍細菌，並獲得了後者進行光合作用的能力。之後，那個融合細胞給地球帶來了所有的藻類和植物——從漂浮在海洋的綠色浮游生物，到我們包壽司用的海苔，再到森林裡的花草樹木。是的，所有的這些都是拜那個最古老的融合細胞所賜。

開啟這一切的融合事件發生在9至19億年前的某個時候，一些科學家正試圖縮小這個時間範圍。不過，布羅克斯有一個不同的目標：他並不是太關心藻類誕生的具體時間，但卻想知道它們在何時變得重要，何時從存在變為興盛？以及何時取代藍細菌成為地球主要的光合作用系統？

為了找到答案，他把目光投向了石油公司在開採石油過程中鑽出的沉積物柱體。這些開採物中保存有古代細菌和藻類在死亡後沉入海底的遺骸，它們的細胞早已消失不見，但它們的化學物質成分仍然留存了下來。

其他科學家曾嘗試對這些化學物質進行分析，但因為鑽機上的石油會對沉積物造成污染，導致這些研究往往得到一些匪夷所思的結果。那些石油來自距今1.45-2億年的侏羅紀，所以它們會掩蓋更早期化學物質的存在。

當布羅克斯認識到這個問題，他使用工業機器把附在沉積物表面的污染物給去除掉。然後，他的團隊把殘留的岩石磨成粉末，並把它們放入一台類似於巨型咖啡機的機器當中。

這台機器會把溶劑泵入粉末，提取出其中的分子，最終產生看著像是（其實物質構成也很像）石油的棕色液體。布羅克斯和同事們會在這些黏糊糊的東西中搜尋兩組特定的化學物質：甾烷和藿烷，它們分別可見於藻類細胞和細菌細胞。通過比較這兩組物質的佔比，他們便可計算出藻類和細菌的相對數量是如何隨著時間推移而變化的。

他們發現，在地球第一個冰封期以及此前的所有歲月里，代表細菌的藿烷數量要遠遠超過代表藻類的甾烷。

然而，在地球解凍的那段間隔期，也就是6.45至6.59億年前，甾烷的含量水平急劇上升了100到1,000倍，達到了一個高峰並一直延續至今。

此外，甾烷的多樣性也增加了，從單個分子演變為包含各式各樣分子結構的大家族。這些結果遠遠好於布羅克斯的預期，它們清楚地表明，藻類在那「短暫」的1400萬年窗口期崛起了，數量和種類都變得更多了。

「藻類崛起的原因和後果是有爭議的，我也期待著科學界就此展開爭論。」布羅克斯說道。不過，藻類崛起本身的證據「非常清楚」，海洋曾發生過一場從由細菌主導到由藻類主導的轉變。

霸權轉移的導火索

為什麼呢？

當布羅克斯讀到一篇去年發表的研究論文——該研究揭示，在過去的海洋中，磷酸鹽這一重要營養物質的含量水平曾非常低——他對發生轉變的神秘現象感到困惑不已。

海洋中磷酸鹽的含量水平是在6.35至8億年前開始上升的，正好在藻類崛起之前。「我當時想：哇哦，這不可能是巧合。」布羅克斯如是說。

當磷酸鹽的含量水平低時，細菌要比藻類興盛，因為細菌的細胞要小得多。由於擁有更大的表面積/體積比，細菌能夠更有效地吸收周圍營養物質。「如果營養物質的濃度低，小個頭生物每次都能勝出。」布羅克斯說，「在磷含量低的環境中，個頭較大的藻類得不到機會。」

在地球的一個冰封期，當巨大的冰川將原始的山巒研磨成粉末，把磷酸鹽釋放到了海洋當中，這場競爭的天平開始向藻類傾斜。當地球變暖後，由此帶來的更多降雨不斷沖刷冰雪剛剛消融的地面，把更多的磷酸鹽衝到了海洋當中。這導致了一場地球上前所未見的營養物質過剩，根據布羅克斯的說法，這破壞了細菌對海洋的統治。

布羅克斯認為事情是這樣的：起初，這些過剩的營養物質會先被佔主導地位的藍細菌吸收，而後者又會成為微型吞食細胞的盤中餐。這些吞食者限制了細菌的數量，讓個頭更大的藻類有機會攝入營養物質，並最終繁榮興盛。

大量藻類的存在反過來又推動了捕食者的進化，比如有孔蟲——這是一種單細胞的捕食者，它們每天要吃下海洋一半左右的藻類。

有孔蟲

生物間的軍備競賽

全新的食物網路就此形成，捕食者和獵物之間的「軍備競賽」也拉開了序幕，這樣的競賽讓生物的個頭進化得越來越大。在6.35億年前這個節點，就在震旦紀的開端，厘米級的生物出現了，首批動物正是在那個時期誕生於世的。

「這些事件都是環環緊扣，首先是磷酸鹽等養分物質的豐富化，接著是藻類興起，再接下來就是進化出動物。」布羅克斯說，「藻類提供了食物和能量來源，讓生物體的個頭能夠變大。我不認為只有細菌存在的生態系統能夠進化出鯊魚。」

對於布羅克斯的研究，美國西華盛頓大學的生物學家羅賓·科德納（Robin Kodner）這樣評價說：「這呈現了一種合乎邏輯的情境，並把最好的新數據整合到了一起。但是跟所有基於歷史的地理生物學研究一樣，它有一些過於簡單化。」

青綠藻

舉例來說，在眾多藻類品種中，只有綠色藻類（特別是青綠藻）才是唯一具有重大生態意義的藻類。目前還不清楚，布羅克斯發現的藻類崛起是否就是青綠藻的崛起。

此外，很多青綠藻個頭很小，只比藍細菌略大。為什麼它們的崛起應該讓海洋食物網路發生布羅克斯所認為的那種巨大變化，科學家還找不出什麼特別的理由。

現實情況是，這樣的網路是非常複雜的。藍細菌和藻類共存，各自扮演不同的角色。以一種獵物為食的捕獵者通常也會捕食另一種獵物。所以，搞清楚藻類崛起是如何導致動物誕生——甚至這種因果關係是不是真的存在——那將需要開展更多的研究。

重構數億年前發生的事件必定很有難度，而這樣的研究工作將始終對推測和爭辯敞開大門。

但布羅克斯的研究工作很有價值，因為它把一系列不同的觀察結果整合到了一個緊密的框架當中，從而可以跟今後的發現進行比較，來自哈佛大學的安德魯·諾爾（Andrew Knoll）在相關評論中寫道。

翻譯：何無魚

來源：The Atlantic

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