24亿年前，毒害地球生命的氧气，来自何方？

这颗星球正处于危机之中。死亡无处不在，散发出铺天盖地的恶臭。生命之树的所有枝杈几乎都被清洗一空，曾经鲜活的生命变成了逝去的记忆。造成这一切的罪魁祸首，仅仅是一种气体，一种非常成功的物种排入大气的废气。欢迎来到24亿年前的地球。

距今24亿年前，可以说是生命历史上最为动荡的一段时期。生命已经在地球上繁荣发展了10多亿年，然而，一种新的单细胞生物在此时华丽登场。它们可以利用太阳能，利用过程中却会产生有毒的副产品——氧气。这种单细胞生物迅速在原始海洋中繁衍到了一个不可思议的数量，大气成分也因此改变。

那是一场灾难。在数次生物大灭绝事件中，氧含量上升毁灭的物种比例很可能高居魁首。尽管如此，氧气的危险特质——高活性，也使得它能够成为一种丰富的能量来源。生命很快就开始开采这座宝库，我们的动物祖先也在其中。

有一些光合细菌，产生的是硫，而非氧气。图片来源：quesabesde.com

远古光合作用

过去的10年来，我们对地球历史这一阶段的认识，发生了大逆转。教科书会告诉你，光合作用甫一出现，氧含量就开始攀升。但是，据我们现在所知，有些生物早在34亿年前就能进行光合作用，这比氧含量上升要早得多。问题在于，为什么氧气会在那么久之后，才喷涌而出？

本质上，光合作用就是“收割”太阳能。植物利用太阳能制作食物，把二氧化碳变成碳链。这一过程中产生的糖类可以用作能源，也可以用于制造从蛋白质到DNA不等的各种更复杂的分子。可能与你所预期的不同，产生氧气并非不可避免。事实上，许多细菌都可以不用产生氧气，就把光能和二氧化碳转化为食物。而且，近期的研究表明，细菌这种光合作用的历史，几乎和地球生命史一样悠久。

2004年，当时任职于美国加利福尼亚斯坦福大学的迈克尔?泰斯（Michael Tice）和唐纳德?罗威（Donald Lowe），在南非研究距今34.1亿年前形成于浅水中的岩石时，发现一种化石结构与现代光合细菌形成的微生物席非常类似，但是没有任何氧气产生的迹象（参见《自然》杂志，第431卷，549页）。对此，他们认为最可能的解释是，这些细胞进行的是不产生氧气的光合作用。

从这一发现起，我们开始真正接触到早期光合细菌。2011年，英国牛津大学的马丁?布雷泽（Martin Brasier）及其同事在澳大利亚西部的岩石中发现了距今34.3亿年前的细菌细胞化石（参见《自然?地球科学》，第4卷，698页）。“它们生活在光照良好的潮间带或潮上带，”布雷泽说。岩石的化学组成，以及充足的光线，充分表明这些细胞中有些能进行光合作用，却不产生氧气。

不产生氧气的光合作用出现得如此之早，似乎相当令人惊讶。现在已知最早的化石，形成于距今34.9亿年前，仅仅比它们略早一点。在英国伦敦大学学院研究生命起源的学者尼克?雷恩（Nick Lane）认为，一旦生命演化到能够依靠化学能为生，转而利用太阳能其实算不上什么飞跃。“实际上，光只是让电子流过同一台设备而已，”他说。

对于雷恩这样的研究人员来说，谜题在于，为什么产生氧气的光合作用要经过如此漫长的岁月才演化出来。产生氧气的光合作用出现在大约24亿年前，可能比不产生氧气的光合作用晚了10亿年。明明更具优势，为什么它会如此姗姗来迟？

光合作用分为两个主要步骤。在第2步中，电子进入二氧化碳，帮助把二氧化碳分子转化成糖类。而第1步则是获取这些电子，也就是从一种分子上剥离出电子，用来产生驱动第2步所需的电化学梯度。

10亿年的延迟

在产生氧气的光合作用中，由水分子提供电子。剥离电子的过程使水分子裂解为氢离子和氧。在把二氧化碳转化为糖类的过程中，氢离子和电子起着至关重要的作用，而氧气则是一种没什么用的副产品。

在不产生氧气的光合作用中，电子由其它种类的分子提供，其中最为普遍的是硫化氢。裂解硫化氢产生的副产品是硫。硫化氢具有非常容易失去电子的优点，或者说非常易于氧化。而且在早期海洋中，硫化氢也很常见。不过，在不产氧的光合作用发生的表层水域，硫化氢估计很快就被消耗一空了。

用水提供电子的最大好处是，水在海洋中可谓取之不尽用之不竭。但是，水的缺点也不小。“氧化水非常困难，”美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学的罗伯特?布兰肯西普（Robert Blankenship）说。我们现在依然在为之努力：研究人员已经进行了数十年的尝试，希望开发出一种廉价高效的裂解水的方法，以生产氢气作为燃料。

因此，在选择水之前，光合细菌最先选择容易氧化的物质，也就合情合理了。传统观点认为，产生氧气的光合作用，是经过一系列中间阶段，逐渐从不产生氧气的版本演化而来的。布兰肯西普和很多研究人员都支持这一观点。然而，过去10年来，英国伦敦大学玛丽女王学院的约翰?埃兰（John Allen）提出了一个不一样的剧本，这个剧本有点令人难以置信。“演化过程必然是突发性的，”他说，只有那样才能解释10亿年的延迟。

产生氧气的光合作用是如何出现的，所有与此有关的假设都不能绕过以下4个具有重要意义的事实。事实1：不产生氧气的光合作用有两个迥异的类型。一些细菌具有被称为Ⅰ型的反应中心，它们从硫化氢之类的分子中获取电子，而且电子走的是单行道，即每个电子只利用一次。另一些细菌具有Ⅱ型反应中心，可以在内部循环利用电子，从而降低了对外界电子来源的依赖。

自然界中的光合作用，存在3种形式。图片来源：《新科学家》

事实2：在产生氧气的光合作用中，一个Ⅰ型反应中心和一个Ⅱ型反应中心串联在一起工作。事实3：尽管蓝藻同时具备两种反应中心，但它只用Ⅱ型反应中心来裂解水分子产生氧气。并且，反应发生的位置上，有4个锰原子排列在一个钙原子周围。事实4：具有Ⅱ型反应中心、进行不产生氧气的光合作用的细菌，不具备这种锰和钙的组合。

布兰肯西普认为，后两个事实最为重要，它们指向了一个简单的发展过程。他认为Ⅰ型反应中心先演化出来。从古至今，基因交换在细菌中一直十分普遍。编码Ⅰ型反应中心的基因被另一类细菌获得，通过逐渐调整修改基因编码，形成了Ⅱ型反应中心。之后，这类细菌的后代又把金属原子纳入其中。最后，形成了包含4个锰原子和一个钙原子的结构布局。现在，细菌可以只用Ⅱ型反应中心氧化水分子，进行产生氧气的光合作用了。

布兰肯西普声称，在此之后，这些细菌的后代通过基因交换，又获得了Ⅰ型反应中心，蓝藻就这样产生了。因此，布兰肯西普认为，蓝藻具有两种不同类型的反应中心，只是一个巧合。

该假说作出了一个明确的预测：曾经有一种不同于蓝藻的细菌，能够通过光合作用产生氧气。这个缺失环节，将具有Ⅱ型反应中心、进行不产生氧气的光合作用的细菌（其中包括紫细菌，一种现生细菌），与进行产生氧气的光合作用的蓝藻联系在了一起，因此我们不妨称之为“靛蓝”菌。目前为止，还没有“靛蓝”菌被发现。布兰肯西普和其他研究人员试图通过其它方法，证明靛蓝菌曾经存在过。

美国亚利桑那州立大学的一支研究团队，试图把紫细菌改造成类似于靛蓝菌的生物。这或许是诸多尝试中意义最为重大的一次。研究人员改造了紫细菌，使它们有能力将锰离子纳入反应中心，并利用锰离子与含有氧元素的分子发生反应（参见《美国科学院院报》，第109卷，2314页）。这还算不上是产生氧气的光合作用，却是向着目标方向迈出的一步。

海洋灾难

即使有一天，生物学家真的在实验室里制造出了靛蓝菌，也不能证明靛蓝菌曾经自然演化产生过。对于埃兰来说，渐进假设并不能解释所有的事实。为什么如此显而易见、如此简单的过程，需要花上10亿年的时间？为什么产生氧气的光合作用只演化出了一次？（到目前为止，据我们所知，只有蓝藻。植物通过让蓝藻在体内生活，获得了这种光合作用的能力——换句话说，植物的叶绿体是由蓝藻发展而来的）。而且，为什么所有蓝藻都同时具有两种类型的反应中心？

埃兰同样认为，Ⅰ型反应中心先演化出来。但是在这之后，他的假设就大不相同了。他认为，光合作用细菌在发展早期遇到了某种问题，导致多复制了一整套Ⅰ型反应中心基因。多出来的这一套反应中心，拥有很大的自由度，可以承担不同的功用。这套反应中心演化出了循环利用的电子，成为了最初的Ⅱ型反应中心。埃兰推测，由于拥有两套不同的反应中心，使得这些“早期蓝藻”在广泛的环境中兴盛起来。当环境中的硫化氢比较充裕时，它们使用Ⅰ型反应中心。当硫化氢不足时，它们转而使用Ⅱ型反应中心，循环利用已经得到的电子。

然后有一天，灾难降临了。一些早期蓝藻漂进了一处富含锰、却缺少硫化氢的浅滩。细菌适时启用了Ⅱ型反应中心。然而，紫外线照射锰会使锰放出电子，所以，事实上环境中存在着大量的电子。这些电子很快就造成了Ⅱ型反应中心的拥堵。虽然锰离子会和水反应生成氧化锰，但周围环境中仍然存在着大量的锰，继续产生过量的电子，造成早期蓝藻的死亡。

或者说，造成了绝大部分早期蓝藻的死亡，只有一个幸运儿存活了下来。埃兰认为，在这个幸运儿中，由于基因突变，同一时间只能开启一套反应中心的开关坏掉了。当两套反应中心同时运作时，锰产生的电子流经Ⅱ型反应中心后会被Ⅰ型反应中心抽走，这样就解决了阻塞问题。换言之，两种反应中心开始联手工作了，就像在现代蓝藻中一样（参见《欧洲生物学化学会联盟通讯》，第579卷,963页）。

可是，这个细菌的后代是怎么从由锰提供电子，转到由水提供电子的呢？从某种程度上来说，它们没有变过。直到今天，所有植物用于光合作用的电子都是由锰提供的。只不过，这些电子现在来自于Ⅱ型反应中心内部的一个锰原子团簇。这个团簇具有一项不同凡响的能力——当它给出电子之后，能够从水分子中偷来电子，从而把水分子裂解开，释放出氧气。

当早期蓝藻演化出这种Ⅱ型反应中心后，它们对锰原子的需求就微乎其微了。接下来，它们就能从富含锰的水域向外开枝散叶，借助无穷无尽的水和阳光，开发利用当时丰富的二氧化碳资源。不久之后，数量庞大的蓝藻喷吐出来的氧气，改变了大气组成。

几乎从生命在地球上出现开始，这样的细菌就能进行光合作用。然而为什么直到10亿年后，它们才开始制造氧气？图片来源：flash-screen.com

如果埃兰的假设是正确的，蓝藻偶然进入富含锰的环境，以及关键基因开关的失控，必然发生在同一时间。埃兰也同意，这种情况出现的几率太低了。但这或许就是产生氧气的光合作用耗费了10亿年才出现的原因。他说：“我研究的这条路线只是个时间问题，经过漫长的时间，终于等到两个意外因素，同时出现在一个细菌上。”出乎人们意料的是，现在埃兰的理论已经有实实在在的证据支撑了：我们已经发现了一处罕见的、富含锰的环境。

美国加州理工学院的伍德沃德?菲舍尔（Woodward Fischer）及其同事，一直在研究位于现今南非的岩层，该岩层的形成时期恰好是在氧含量上升的前夕。他们发现一处岩石中二氧化锰含量非常之高，而且意义格外重大的是，这处岩石是在缺乏氧气的环境中形成的。即使是紫外线，也不足以产出如此规模的氧化锰。这个研究团队在2012年12月的一次会议上说，埃兰提出的早期蓝藻的光合作用模式，似乎是对这种现象的唯一可信的解释。

“这是个重大新闻，令人兴奋不已，恰如其分地证实了约翰的假设，”德国杜塞尔多夫大学的威廉姆?马丁（William Martin）如此评论。他是一位支持埃兰假说的早期演化研究人员，一直和埃兰保持着合作，收集相关证据。但是布兰肯西普依然坚持他的看法。用他的话来说，他跟埃兰及马丁就产生氧气的光合作用如何起源的问题，进行过多次“十分激烈但是相当友好”的交流讨论。

这场争论，只能有待于发现过渡种类的活生生的代表，不管是靛蓝菌还是早期蓝藻，才能够一锤定音了。令人惊讶的是，布兰肯西普和埃兰都确信，他们各自认为的过渡菌种，依然生存在世界的某个角落。“我们现在仍然可以在地球上找到一些特殊环境，与距今24亿年前的典型条件极为类似，”埃兰说，“所以，认为这些微生物依然在某处生活着，也并不荒谬。”

不管蓝藻的祖先到底是什么，我们都应该对其心怀感激。“这种生物也许是意外的产物，却非常重要，”埃兰说，“原因很简单，因为它永远地改变了这个世界”。