改变地球环境,这种生物贡献最大
  • 来源:科普时报
  • 作者:冯伟民
  • 2021-09-07 10:34

蓝藻既是默默耕耘的奠基者,营造了地球大氧化环境;也是创造者,拥有了“化工厂”的功能,学会了自我营养。

改变地球环境,这种生物贡献最大

图为改造大气环境的先锋——蓝藻
图片由作者提供

    进化杂谈

    蓝藻,学名为蓝细菌,是地球上最古老的原核生物之一,也是长盛不衰、延续至今的生物,更是第一个获得地球外能量的自养生物。其为改变地球海洋和大气环境,建立有利于真核生物演化的有氧环境作出了关键贡献。可以说,没有蓝藻就没有今日地球之环境,也就没有我们人类诞生的可能。

    “身小”能量大,种类繁多,超七成为淡水产

    蓝藻的成功首先在于它生生不息的生命力。在地球生命诞生后的最初十几亿年中,蓝藻是最具统治力的生物。它与异养细菌共同构成了早期生物界二极生态体系,并在后来漫长的演化中香火不断,一直扮演着地球生物圈的“保护神”。迄今为止,蓝藻约有2000种,分布遍及世界各地,约75%为淡水产,少数海产。有些蓝藻可生活在60℃~85℃的温泉中;有些种类和菌、苔藓、蕨类和裸子植物共生;有些还可穿入钙质岩石、介壳中和土壤深层中。

    蓝藻的成功还在于具有一系列特征和功能。蓝藻长仅千分之几毫米,具有革兰氏染色阴性、无鞭毛、含叶绿素a,但不含真核细胞的叶绿体。在它极小的体内,具备了聚集着极其复杂的“蛋白质综合体”,能进行与现生植物完全一样的光合作用。因此,蓝藻是能进行产氧性光合作用的单细胞原核生物,有着“自我营养的化工厂”的特殊功能,能从光能、水和二氧化碳中制造营养。

    变废为宝,可以制造营养的自养生物

    人类很早就注意到光合作用现象。古希腊哲学家亚里士多德发现植物仅靠水就能存活,认为其原因在于“土壤中含有完美的营养”。植物的确是从土壤中吸收水分并且利用它进行光合作用的,不过人类真正认识光合作用是在18世纪。

    18世纪的欧洲,产业革命造成了空气污染。科学家在酝酿净化空气的方法时,首先发现了植物能够制造新鲜的空气。荷兰植物生理学家简·英格豪斯注意到,只有被太阳晒到的水草才会发出气泡。由此表明,植物为了制造新鲜空气,阳光是必需的。虽然人们真正搞清楚光合作用已经是100年以后的事情了,但是英格豪斯这一开创性的认识,使他被誉为“光合作用的发现者”。

    现在已经清楚,光合作用是通过作用不同的众多蛋白质,依靠有序地接收电子来完成。光合作用实际上有两个系统,分别称作“光系统I”和“光系统II”。光系统II受到阳光照射便会释放电子。与此同时,水被分解为氧和氢,并夺取水中的黏合剂电子作为补充。高能量的电子是合成糖的必需品。电子传送类囊体膜,经由细胞色素被运送到光系统I中。

    接受光能,再分解水取出电子,并利用它和二氧化碳制造糖,在这个过程中氧气作为废弃物被排出,因此,蓝藻就像“化工厂”,它是地球上最早获得地球外能量制造营养的自养生物。而细菌没有叶绿素,只能靠其他有机物或无机物来养活自己。

    孕育新生、弥补资源,推动生物圈繁荣发展

    当时的地球上,阳光、水和占当时大气层大部分含量的二氧化碳等光合作用所需的原料,可谓取之不尽用之不竭。因此,光合作用带来了地球最早的“生命大爆发”——蓝藻大繁盛。2020年,科学家研究表明,蓝藻中含有一种名为“二磷酸核酮糖羧化酶”(RuBisCO),酶是植物光呼吸的关键酶,其在光合作用中具有重要的作用。

    蓝藻的光合作用具有划时代意义,最终引发了大氧化事件的产生,产生了一系列影响深远的自然界和生物界的演化。倘若没有蓝藻释放氧气,真核细胞不可能产生,生物也很难大型化,遮挡有害紫外线的臭氧层也无法形成,生物更不可能在陆地上开辟新的生态系统。科学家研究表明,光合作用使得地球生物开始利用地球外的能量,有效地弥补了地球上有限的资源,有力推动了地球生物圈的繁荣。

    总之,蓝藻的光合作用在地球大气环境有氧化的进程中起到了十分重要的作用,不仅孕育了喜氧真核生物的诞生,而且也是无机态的碳进入生物圈的重要途径,间接地促使了铁矿等矿产资源的产生,并为后来历次生物大灭绝后的生物复苏过程中有氧环境的再造作出了贡献。

    (作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员、南京古生物博物馆名誉馆长)


责任编辑:胡利娟
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