24億年前，毒害地球生命的氧氣，來自何方？

這顆星球正處於危機之中。死亡無處不在，散發出鋪天蓋地的惡臭。生命之樹的所有枝杈幾乎都被清洗一空，曾經鮮活的生命變成了逝去的記憶。造成這一切的罪魁禍首，僅僅是一種氣體，一種非常成功的物種排入大氣的廢氣。歡迎來到24億年前的地球。

距今24億年前，可以說是生命歷史上最為動蕩的一段時期。生命已經在地球上繁榮發展了10多億年，然而，一種新的單細胞生物在此時華麗登場。它們可以利用太陽能，利用過程中卻會產生有毒的副產品——氧氣。這種單細胞生物迅速在原始海洋中繁衍到了一個不可思議的數量，大氣成分也因此改變。

那是一場災難。在數次生物大滅絕事件中，氧含量上升毀滅的物種比例很可能高居魁首。儘管如此，氧氣的危險特質——高活性，也使得它能夠成為一種豐富的能量來源。生命很快就開始開採這座寶庫，我們的動物祖先也在其中。

有一些光合細菌，產生的是硫，而非氧氣。圖片來源：quesabesde.com

遠古光合作用

過去的10年來，我們對地球歷史這一階段的認識，發生了大逆轉。教科書會告訴你，光合作用甫一出現，氧含量就開始攀升。但是，據我們現在所知，有些生物早在34億年前就能進行光合作用，這比氧含量上升要早得多。問題在於，為什麼氧氣會在那麼久之後，才噴涌而出？

本質上，光合作用就是「收割」太陽能。植物利用太陽能製作食物，把二氧化碳變成碳鏈。這一過程中產生的糖類可以用作能源，也可以用於製造從蛋白質到DNA不等的各種更複雜的分子。可能與你所預期的不同，產生氧氣並非不可避免。事實上，許多細菌都可以不用產生氧氣，就把光能和二氧化碳轉化為食物。而且，近期的研究表明，細菌這種光合作用的歷史，幾乎和地球生命史一樣悠久。

2004年，當時任職於美國加利福尼亞斯坦福大學的邁克爾?泰斯（Michael Tice）和唐納德?羅威（Donald Lowe），在南非研究距今34.1億年前形成於淺水中的岩石時，發現一種化石結構與現代光合細菌形成的微生物席非常類似，但是沒有任何氧氣產生的跡象（參見《自然》雜誌，第431卷，549頁）。對此，他們認為最可能的解釋是，這些細胞進行的是不產生氧氣的光合作用。

從這一發現起，我們開始真正接觸到早期光合細菌。2011年，英國牛津大學的馬丁?布雷澤（Martin Brasier）及其同事在澳大利亞西部的岩石中發現了距今34.3億年前的細菌細胞化石（參見《自然?地球科學》，第4卷，698頁）。「它們生活在光照良好的潮間帶或潮上帶，」布雷澤說。岩石的化學組成，以及充足的光線，充分表明這些細胞中有些能進行光合作用，卻不產生氧氣。

不產生氧氣的光合作用出現得如此之早，似乎相當令人驚訝。現在已知最早的化石，形成於距今34.9億年前，僅僅比它們略早一點。在英國倫敦大學學院研究生命起源的學者尼克?雷恩（Nick Lane）認為，一旦生命演化到能夠依靠化學能為生，轉而利用太陽能其實算不上什麼飛躍。「實際上，光只是讓電子流過同一台設備而已，」他說。

對於雷恩這樣的研究人員來說，謎題在於，為什麼產生氧氣的光合作用要經過如此漫長的歲月才演化出來。產生氧氣的光合作用出現在大約24億年前，可能比不產生氧氣的光合作用晚了10億年。明明更具優勢，為什麼它會如此姍姍來遲？

光合作用分為兩個主要步驟。在第2步中，電子進入二氧化碳，幫助把二氧化碳分子轉化成糖類。而第1步則是獲取這些電子，也就是從一種分子上剝離出電子，用來產生驅動第2步所需的電化學梯度。

10億年的延遲

在產生氧氣的光合作用中，由水分子提供電子。剝離電子的過程使水分子裂解為氫離子和氧。在把二氧化碳轉化為糖類的過程中，氫離子和電子起著至關重要的作用，而氧氣則是一種沒什麼用的副產品。

在不產生氧氣的光合作用中，電子由其它種類的分子提供，其中最為普遍的是硫化氫。裂解硫化氫產生的副產品是硫。硫化氫具有非常容易失去電子的優點，或者說非常易於氧化。而且在早期海洋中，硫化氫也很常見。不過，在不產氧的光合作用發生的表層水域，硫化氫估計很快就被消耗一空了。

用水提供電子的最大好處是，水在海洋中可謂取之不盡用之不竭。但是，水的缺點也不小。「氧化水非常困難，」美國密蘇里州聖路易斯華盛頓大學的羅伯特?布蘭肯西普（Robert Blankenship）說。我們現在依然在為之努力：研究人員已經進行了數十年的嘗試，希望開發出一種廉價高效的裂解水的方法，以生產氫氣作為燃料。

因此，在選擇水之前，光合細菌最先選擇容易氧化的物質，也就合情合理了。傳統觀點認為，產生氧氣的光合作用，是經過一系列中間階段，逐漸從不產生氧氣的版本演化而來的。布蘭肯西普和很多研究人員都支持這一觀點。然而，過去10年來，英國倫敦大學瑪麗女王學院的約翰?埃蘭（John Allen）提出了一個不一樣的劇本，這個劇本有點令人難以置信。「演化過程必然是突發性的，」他說，只有那樣才能解釋10億年的延遲。

產生氧氣的光合作用是如何出現的，所有與此有關的假設都不能繞過以下4個具有重要意義的事實。事實1：不產生氧氣的光合作用有兩個迥異的類型。一些細菌具有被稱為Ⅰ型的反應中心，它們從硫化氫之類的分子中獲取電子，而且電子走的是單行道，即每個電子只利用一次。另一些細菌具有Ⅱ型反應中心，可以在內部循環利用電子，從而降低了對外界電子來源的依賴。

自然界中的光合作用，存在3種形式。圖片來源：《新科學家》

事實2：在產生氧氣的光合作用中，一個Ⅰ型反應中心和一個Ⅱ型反應中心串聯在一起工作。事實3：儘管藍藻同時具備兩種反應中心，但它只用Ⅱ型反應中心來裂解水分子產生氧氣。並且，反應發生的位置上，有4個錳原子排列在一個鈣原子周圍。事實4：具有Ⅱ型反應中心、進行不產生氧氣的光合作用的細菌，不具備這種錳和鈣的組合。

布蘭肯西普認為，後兩個事實最為重要，它們指向了一個簡單的發展過程。他認為Ⅰ型反應中心先演化出來。從古至今，基因交換在細菌中一直十分普遍。編碼Ⅰ型反應中心的基因被另一類細菌獲得，通過逐漸調整修改基因編碼，形成了Ⅱ型反應中心。之後，這類細菌的後代又把金屬原子納入其中。最後，形成了包含4個錳原子和一個鈣原子的結構布局。現在，細菌可以只用Ⅱ型反應中心氧化水分子，進行產生氧氣的光合作用了。

布蘭肯西普聲稱，在此之後，這些細菌的後代通過基因交換，又獲得了Ⅰ型反應中心，藍藻就這樣產生了。因此，布蘭肯西普認為，藍藻具有兩種不同類型的反應中心，只是一個巧合。

該假說作出了一個明確的預測：曾經有一種不同於藍藻的細菌，能夠通過光合作用產生氧氣。這個缺失環節，將具有Ⅱ型反應中心、進行不產生氧氣的光合作用的細菌（其中包括紫細菌，一種現生細菌），與進行產生氧氣的光合作用的藍藻聯繫在了一起，因此我們不妨稱之為「靛藍」菌。目前為止，還沒有「靛藍」菌被發現。布蘭肯西普和其他研究人員試圖通過其它方法，證明靛藍菌曾經存在過。

美國亞利桑那州立大學的一支研究團隊，試圖把紫細菌改造成類似於靛藍菌的生物。這或許是諸多嘗試中意義最為重大的一次。研究人員改造了紫細菌，使它們有能力將錳離子納入反應中心，並利用錳離子與含有氧元素的分子發生反應（參見《美國科學院院報》，第109卷，2314頁）。這還算不上是產生氧氣的光合作用，卻是向著目標方向邁出的一步。

海洋災難

即使有一天，生物學家真的在實驗室里製造出了靛藍菌，也不能證明靛藍菌曾經自然演化產生過。對於埃蘭來說，漸進假設並不能解釋所有的事實。為什麼如此顯而易見、如此簡單的過程，需要花上10億年的時間？為什麼產生氧氣的光合作用只演化出了一次？（到目前為止，據我們所知，只有藍藻。植物通過讓藍藻在體內生活，獲得了這種光合作用的能力——換句話說，植物的葉綠體是由藍藻發展而來的）。而且，為什麼所有藍藻都同時具有兩種類型的反應中心？

埃蘭同樣認為，Ⅰ型反應中心先演化出來。但是在這之後，他的假設就大不相同了。他認為，光合作用細菌在發展早期遇到了某種問題，導致多複製了一整套Ⅰ型反應中心基因。多出來的這一套反應中心，擁有很大的自由度，可以承擔不同的功用。這套反應中心演化出了循環利用的電子，成為了最初的Ⅱ型反應中心。埃蘭推測，由於擁有兩套不同的反應中心，使得這些「早期藍藻」在廣泛的環境中興盛起來。當環境中的硫化氫比較充裕時，它們使用Ⅰ型反應中心。當硫化氫不足時，它們轉而使用Ⅱ型反應中心，循環利用已經得到的電子。

然後有一天，災難降臨了。一些早期藍藻漂進了一處富含錳、卻缺少硫化氫的淺灘。細菌適時啟用了Ⅱ型反應中心。然而，紫外線照射錳會使錳放出電子，所以，事實上環境中存在著大量的電子。這些電子很快就造成了Ⅱ型反應中心的擁堵。雖然錳離子會和水反應生成氧化錳，但周圍環境中仍然存在著大量的錳，繼續產生過量的電子，造成早期藍藻的死亡。

或者說，造成了絕大部分早期藍藻的死亡，只有一個幸運兒存活了下來。埃蘭認為，在這個幸運兒中，由於基因突變，同一時間只能開啟一套反應中心的開關壞掉了。當兩套反應中心同時運作時，錳產生的電子流經Ⅱ型反應中心後會被Ⅰ型反應中心抽走，這樣就解決了阻塞問題。換言之，兩種反應中心開始聯手工作了，就像在現代藍藻中一樣（參見《歐洲生物學化學會聯盟通訊》，第579卷,963頁）。

可是，這個細菌的後代是怎麼從由錳提供電子，轉到由水提供電子的呢？從某種程度上來說，它們沒有變過。直到今天，所有植物用於光合作用的電子都是由錳提供的。只不過，這些電子現在來自於Ⅱ型反應中心內部的一個錳原子團簇。這個團簇具有一項不同凡響的能力——當它給出電子之後，能夠從水分子中偷來電子，從而把水分子裂解開，釋放出氧氣。

當早期藍藻演化出這種Ⅱ型反應中心後，它們對錳原子的需求就微乎其微了。接下來，它們就能從富含錳的水域向外開枝散葉，藉助無窮無盡的水和陽光，開發利用當時豐富的二氧化碳資源。不久之後，數量龐大的藍藻噴吐出來的氧氣，改變了大氣組成。

幾乎從生命在地球上出現開始，這樣的細菌就能進行光合作用。然而為什麼直到10億年後，它們才開始製造氧氣？圖片來源：flash-screen.com

如果埃蘭的假設是正確的，藍藻偶然進入富含錳的環境，以及關鍵基因開關的失控，必然發生在同一時間。埃蘭也同意，這種情況出現的幾率太低了。但這或許就是產生氧氣的光合作用耗費了10億年才出現的原因。他說：「我研究的這條路線只是個時間問題，經過漫長的時間，終於等到兩個意外因素，同時出現在一個細菌上。」出乎人們意料的是，現在埃蘭的理論已經有實實在在的證據支撐了：我們已經發現了一處罕見的、富含錳的環境。

美國加州理工學院的伍德沃德?菲舍爾（Woodward Fischer）及其同事，一直在研究位於現今南非的岩層，該岩層的形成時期恰好是在氧含量上升的前夕。他們發現一處岩石中二氧化錳含量非常之高，而且意義格外重大的是，這處岩石是在缺乏氧氣的環境中形成的。即使是紫外線，也不足以產出如此規模的氧化錳。這個研究團隊在2012年12月的一次會議上說，埃蘭提出的早期藍藻的光合作用模式，似乎是對這種現象的唯一可信的解釋。

「這是個重大新聞，令人興奮不已，恰如其分地證實了約翰的假設，」德國杜塞爾多夫大學的威廉姆?馬丁（William Martin）如此評論。他是一位支持埃蘭假說的早期演化研究人員，一直和埃蘭保持著合作，收集相關證據。但是布蘭肯西普依然堅持他的看法。用他的話來說，他跟埃蘭及馬丁就產生氧氣的光合作用如何起源的問題，進行過多次「十分激烈但是相當友好」的交流討論。

這場爭論，只能有待於發現過渡種類的活生生的代表，不管是靛藍菌還是早期藍藻，才能夠一錘定音了。令人驚訝的是，布蘭肯西普和埃蘭都確信，他們各自認為的過渡菌種，依然生存在世界的某個角落。「我們現在仍然可以在地球上找到一些特殊環境，與距今24億年前的典型條件極為類似，」埃蘭說，「所以，認為這些微生物依然在某處生活著，也並不荒謬。」

不管藍藻的祖先到底是什麼，我們都應該對其心懷感激。「這種生物也許是意外的產物，卻非常重要，」埃蘭說，「原因很簡單，因為它永遠地改變了這個世界」。

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