光合作用：一次意外吞噬，改变了整个地球

上世纪六十年代，一个反常发现撞进了年轻的马古利斯眼前：叶绿体里，居然藏着自己的DNA。

它不像一个细胞中的普通“零件”，反而像一个被塞进细胞里的独立生命。再加上叶绿体能自行分裂、拥有自己的核糖体等证据，马古利斯开始重新拼起一个沉寂多年的大胆猜想：叶绿体的祖先，可能原本就是一只自由生活的细菌。

顺着这条线索追问：这群被囚禁在叶片深处的叶绿体，在失去自由之前，究竟干过什么？

▷琳·马古利斯（Lynn Margulis） 提出，真核细胞（组成动物、植物和真菌的复杂细胞）中的关键细胞器——线粒体和叶绿体，最初并不是由细胞自身演化而来的，而是起源于被原始真核细胞吞噬的自由生活细菌。该理论在1967年首次发表时曾遭到主流学术界的强烈反对和嘲讽，但随着后来DNA测序技术的发展（发现线粒体和叶绿体拥有自己独立的DNA，且结构极像细菌），她的学说最终被完全证实，如今已成为现代生物学的核心共识之一。随后，他和洛夫洛克一起提出盖亚假说，认为地球（生命与非生命环境的总和）是一个自我调节的复杂系统，就像一个巨大的活生命体。马古利斯指出，正是地球上无数的微生物通过代谢活动，主动调节着大气的成分、海洋的盐度和地表的温度，从而维持了适合生命持续生存的动态平衡。

最初的变局

这要追溯到二十多亿年前。当时的地球大气没有任何游离氧气，主宰世界的是厌氧生物。直到一种微小的单细胞原核生物登场——蓝细菌。

▷丝状蓝细菌显微照片。

它们掌握了一项前所未有的能力，利用阳光进行光合作用，合成有机物，并将剩下的副产物随意排入环境中。这个副产物，就是氧气。

无限的资源，让蓝细菌在海洋中疯狂繁殖，亿万年间喷吐出无法计数的氧气。氧气把海洋中的二价铁全部氧化，海洋被“锈”成了红色，沉淀成了今天遍布全球的条带状铁矿。

接着多余的氧气涌入大气，重创了毫无防备的厌氧生物，甚至迅速破坏了大气中的温室气体甲烷，导致全球气温暴跌，陷入长达数亿年的“休伦冰期”，整颗星球几乎被彻底冻死。

劫后余生，残存下来的生命必须学会如何面对氧气。就在这个时期，一次改变地球命运的偶然发生了：一个已经演化出吞噬能力的原始真核细胞，在游弋中吞下了一只蓝细菌。

按照常理，被吞下的猎物很快就会被消化液彻底分解。但这一次，猎物没被消化，双方似乎达成了一种不可思议的共生契约。

宿主细胞充当坚固的避风港，源源不断地为蓝细菌提供矿质原料；蓝细菌则在细胞内部持续运转，向宿主供给糖分。

漫长的演化中，被吞噬的蓝细菌逐渐失去了独立生存的能力，成为细胞的一部分，而这场远古的吞噬，也给它留下标志性的双层膜结构：外膜，正是当年宿主吞噬时包裹它的囊泡；而内膜，则是蓝细菌原装的细胞膜。

曾经颠覆整个地球大气的开拓者，就这样逐渐演化成了今天植物细胞里的叶绿体。

▷叶绿体(左)和蓝细菌(右)的对比图。

氧气到底来自何处？

这群古老俘虏究竟是如何运转的？很长一段时间里，科学界凭直觉认为：植物在光下拆开二氧化碳，把碳留下来合成糖，同时把氧气释放出来。

这个看似完美的直觉，统治了科学界一百多年。直到20世纪30年代，一位名叫范·尼尔的微生物学家，察觉到了破绽。

他在研究一种古老的“紫硫细菌”时，发现了一个奇特的现象：这类细菌同样能进行光合作用，但消耗的原料不是水，而是硫化氢。反应结束后，细菌合成了糖类但排出的不是氧气，而是一粒粒黄色的单质硫。

范·尼尔意识到：两套光合作用都使用二氧化碳，可产物为什么不同？

答案显而易见，真正变化的，是另一种原料。紫硫细菌用的是硫化氢，于是留下了单质硫；植物用的是水，那么释放的氧气，也必然全部来自水。

当我们把植物叶片放大，走进叶绿体的内部，这台微观引擎的运作流程清晰而纯粹。

它主要由两道紧密衔接的工序组成：第一步是类囊体薄膜上的光反应阶段。

叶绿体内部叠着一层层薄薄的膜，叫作类囊体薄膜。当阳光照在这层膜上时，上面的色素就会立刻捕获光能，同时完成两件事：分解水分子制造氧气，生成还原氢，并且制造出能量货币ATP。

接着还原氢和ATP会前往叶绿体基质，开启第二步，暗反应。

这里不需要光照直接参与，在各种酶的协助下，细胞先将吸进来的二氧化碳（CO2）捕获固定；接着，利用光反应攒下的 还原氢和 ATP 提供能量与原料，将碳元素一步步还原、拼装成实实在在的糖。

原本飘散在空中的气体与抓不住的阳光，就此彻底化作了滋养生命的有机物。

远古漏洞

这套流水线看起来严丝合缝对吧？别夸太早。这套运转了亿万年的系统里，潜伏着一个著名的演化缺陷。

在暗反应里，负责抓取二氧化碳的关键酶叫作加氧酶。它是地球上数量最多、最重要蛋白质。但，坏就坏在，它是个重度脸盲。无法完全区分结构相近的 二氧化碳与氧气。

只要周围的氧气一多，加氧酶就会手滑，错把氧气抓过来塞进生产线，引发光呼吸。这不仅不产生任何糖分，还会倒扣原料，白白消耗植物 20% 到 40% 的能量。

为什么几十亿年过去了，植物都不把这个祖传漏洞给修了？

原因很无奈：谁让它诞生在二十多亿年前呢？在它最初上岗的远古时代，大自然里连一分子游离氧气都没有，它的底层逻辑里压根就没写“防范氧气”这行代码。

后来大氧化虽然让氧气充斥了整个星球，但生物演化向来是只要代码还能跑，就绝不轻易推倒重构。既然核心改不动，植物们也只能带着这个 Bug 一路凑合用到了今天。

尾声

阳光穿透树叶，落在一呼一吸之间。你吸入的每一分子氧气，都携带着二十多亿年前海洋的印记；而你呼出的每一口二氧化碳，又重新化作了树木抽枝展叶的养分。

曾经险些毁灭一切的剧毒，在吞噬与共生的机缘下，最终演化成了托起整座行星繁盛的生机之源。

演化从不追求绝对的完美，常常充满破绽与意外，但生命总能在废墟与危局中找到共存的缝隙。

[1]COURNOYER J, ALTMAN S D, GAO Y le, et al. Engineering artificial photosynthetic life-forms through endosymbiosis[J]. Nature Communications, 2022, 13(1).

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制片人：雒芊芊 | 制片助理：Catherine Chen

总导演：郑明键 | 分集编导：骆沁真

文案：祝文意 | 剪辑制作：骆沁真 陈薇

声音制作：林得力 林键谞

出品：天桥脑科学研究院大圆镜工作室

本文摘录自“大圆镜科普”生物教材系列

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