氧气是慢性毒药吗？科学家：21亿年前，氧气曾灭绝地球的生命

氧气真的是生命与生俱来的必需品吗？为什么会有科学家说，早在二十一亿年前，氧气曾像一场慢性毒药，让地球生命遭遇过一次大范围的灭绝？

要真正回答这个问题，得回到微生物身上，它们才是地球最古老的原住民，也是理解生命演化与大气变迁的关键钥匙。

海洋微生物与陆地微生物一样，同样包括古菌、细菌这类原核生物，以及一些真核的单细胞生物，其中涵盖原生动物、单细胞藻类、真菌，也包括一部分病毒。

它们构成了海洋微生物的主要类群，不仅参与能量与物质的循环，还会对整个海洋气候的变化产生非常重要的调节作用。

目前地球上存在着极为多样的微生物，虽然它们各自具有不同的特点，也生活在不同的环境之中，但如果放到同一棵进化树上去审视，就会发现它们拥有一个共同的祖先。由此便可以追问：这个共同祖先究竟来自何处？

在地球四十多亿年的演化历程中，它们又分别对地球的生化环境以及地质现象做出了哪些贡献？无论是古地球海洋的变化，还是古代气候的演变，都与微生物有着极为紧密的关联。

要弄清微生物如何改写地球，得先把时间拨回四十六亿年前。那时候，岩石和金属在引力作用下凝聚成早期地球；到了四十四亿年前，彗星开始给地球大批量送水，地表逐渐冷却，水蒸气和其他气体在引力作用下形成包裹地球的大气层。

由于水量太多，当时的陆地面积只占地球表面积的百分之三，整颗星球几乎就是一颗水球——而且，这还是一颗绿色的水球。

生物学家研究了地球三十八亿年的生命史后指出，早期地球生命并不需要氧气，氧气的大规模流行只不过是近二十亿年来的事罢了。在此之前，氧气非但不是生命的必需品，反而属于不折不扣的有毒气体。要理解这段翻转的命运，就得从最古老的微生物讲起。

谈到海洋微生物与陆地微生物在生存环境上的最大区别，虽然从直观上看，海底世界的照片与陆地景观非常不同，但前期研究表明，二者最本质的差异其实在于所处水环境的盐度。海底的盐度大约维持在30左右，而陆地上很多地方则是淡水环境。

因此盐度是驱动细胞适应机制、微生物群落组成以及微生物类别分化的最主要因素，也是二者在进化上最大的差异所在。

由于海底生物始终处在盐度非常均衡的环境之中，其演化就不再受到盐度这一显著限制的制约。然而在陆地上，除了淡水之外，还存在盐碱湖，以及陆地与海洋交互的过渡带，其中盐度梯度的变化非常丰富。

因此对于陆地微生物而言，盐度的波动本身就构成了一个重要的进化压力。除此之外，陆地上的温度、pH值以及一些生境的异质性，其时间上的变化都可能更为剧烈。

所以陆地微生物在对环境条件的应激性上，可能要比海洋微生物承受更高的要求。

关于微生物所承载的"信息"这一问题，首先取决于如何定义信息，以及生命究竟包含哪些信息，这也是当前一些前沿理论所关注的方向。就基础层面而言，微生物最重要的信息就是它的遗传物质，即DNA——大家所熟知的ATCG的排列组合。

这一序列决定了细胞或物种的基础运算逻辑，也构成了信息层面的最基本变化。

但随着这一基础信息的变化，作为一个细胞，它要维持大量的生化反应，还需要对外界的环境进行交互、做出应答，甚至反过来改变环境。所以在自身遗传物质之外，细胞表面的大分子、以及它与周围其他生物之间的互作关系，同样是一种长期被低估的"信息"。

生命演化从来不是孤立的，它除了跟其他生物在不停发生互作，也在与地球环境持续对话。

在已知的三十八到四十一亿年里，地球生命一直在与地球环境不断互作。最近的一项研究观察到，寒武纪大爆发——多细胞生物或者说复杂后生生物突然出现的最重要节点——与地球本身的板块运动密切相关。

是因为板块运动导致海洋与陆地之间的交互，在沿海地区形成了非常适宜生态系统快速增长的环境。这就证明了地球科学对生命演化的极为重要的作用。

反过来，生命对地球的演化，同样贡献巨大，包括对大气与气候的改造，对沉积过程的影响；最新一些理论甚至认为，微生物可能与地震都有密切相关，像日本海沟或马里亚纳海沟这类俯冲带，就是重要的研究场所。

从更本质的层面去理解微生物，也可以帮助人类去看清：为什么会生病，为什么DNA会受到损伤，为什么生命存在一定的期限，以及为什么它会不断积累突变。这些问题的解答对于当下的医学研究，以及合成生物学的应用都有巨大帮助。

例如，利用合成生物学去创造一些工程化的细菌，让它们帮助人类生产药物或特定化合物；如何高效地利用这些菌群去实现生产目标，都需要研究者从头去理解细胞结构的本质，以及DNA与基因组织的本质。这正是这类基础研究最关键的意义所在。

在可以看得见的一段时间里，新的技术手段将会针对微生物演化领域中的一些重要问题给出全新答案。

以真核生物为例，其区别于细菌与古菌这两大类生物的关键特征，就是拥有细胞核，细胞核内包含基因组，此外在细胞外还有线粒体基因组以及叶绿体等细胞器（叶绿体存在于植物中），因此真核细胞的结构要复杂得多。

真核细胞究竟是如何起源的，长期以来是科学家研究的热点问题。传统的分子演化方法——基于遗传物质来构建进化树——面临的瓶颈在于历史过于遥远，许多信息可能已经丢失，因而人们并不清楚第一个真核细胞究竟是如何出现的。

如今借助人工智能等新手段，研究者可以去分析这些基因当时是如何组合的，是否能够形成一个高度复杂的细胞系统，并可以借助"虚拟细胞"进行模拟。

同时也可以对蛋白质的结构进行预测，推测在约二十多亿年前——也正是大气氧含量剧烈变化、可能出现第一个真核细胞的时期——当时的蛋白质大致呈现什么样的结构。据此就能够推断哪些蛋白分别源自古菌与细菌。

当前最大的争论正是在于：真核细胞究竟是来自古菌，还是说真核与古菌很早就已经分开演化；甚至有一种理论认为，真核细胞可能来自病毒的某种起源贡献。这些问题都需要借助新技术去寻找当时存在过的分子线索。

第三个方向是合成生物学。有一种说法是：只有当你把一个东西真正制造出来的时候，你才能够真正理解这个东西。

合成生物学的意义正在于此，当研究者提出关于生命起源的理论时，可以借助现有的细胞或人造类细胞去模拟当时的起源过程，从而验证其中的关键步骤在实验上是否可行。这些正是新技术给生命演化研究带来的深刻变革。

回望地球四十六亿年的历程，氧气从最初的"有毒气体"到今天几乎所有动植物赖以生存的必需品，走过了近二十亿年的漫长旅途，命运翻转堪称戏剧。

在氧气尚未大规模流行之前，早期生命依靠厌氧代谢在那颗绿色水球中悄然繁衍，当时陆地只占地表百分之三，海洋才是生命真正的舞台与摇篮。

正是蓝藻等光合微生物用亿万年时间悄悄改写大气成分，才让原本繁盛的厌氧世界大面积退场，这场慢性毒药式的灭绝，恰是复杂生命的前提。

理解这段历史，既是在追问氧气与生命的爱恨纠葛，也是在追问微生物如何塑造整个地球，它们既是最古老的居民，也是最深远的改造者。