[科普中國]-地球輪回于雪球與溫室間 生命在"冰與火"中誕生?

大約7.17億年前，地球變成了“雪球”。幾乎所有海洋表面都結(jié)出厚厚的冰，陸地變成了互相連接的“超級(jí)大陸”，表面被1600多米厚的冰層覆蓋。然后，一切都改變了?；鹕絿姲l(fā)釋放出大量二氧化碳進(jìn)入大氣層，它們吸收太陽的熱量并促使全球變暖。最終冰開始融化，海面溫度達(dá)到48.9攝氏度到60攝氏度。到6.59億年前，世界已經(jīng)從“雪球”變成了“溫室”。僅僅1400萬年后，冰又回來了，地球第二次變成“雪球”。對(duì)于地球上的生命來說，上演這首“冰與火之歌”是非常重要的時(shí)期。澳大利亞國立大學(xué)的約翰·布勞克斯（JochenBrocks）解釋稱，這個(gè)過程釋放了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它們永久地改變了海洋，將其從簡(jiǎn)單地由細(xì)菌為主導(dǎo)變成藻類占優(yōu)勢(shì)的世界。反過來，藻類又徹底改變了海洋中的食物網(wǎng)，為越來越大、越來越復(fù)雜的生命進(jìn)化鋪平了道路，比如第一代動(dòng)物。如果海藻時(shí)代從未到來，可能也不會(huì)有如今的我們。在海藻之前，海洋主要由細(xì)菌控制。這些微生物中的藍(lán)藻（cyanobacteria，又稱藍(lán)細(xì)菌）可以利用陽光支持的光合作用為自己制造食物。在這樣做時(shí)，它們?yōu)榈厍虼髿庵刑峁┝舜罅垦鯕?，從而形成了海洋食物網(wǎng)的基礎(chǔ)。那是它們的世界。接著，在一個(gè)偶然事件中，一個(gè)古老而又復(fù)雜的細(xì)胞吞噬某個(gè)藍(lán)藻，并獲得其進(jìn)行光合作用的能力。那個(gè)融合細(xì)胞隨后產(chǎn)生了所有的藻類和植物，從漂浮在海洋中的大量綠色浮游生物，到包裹壽司卷的海藻，再到點(diǎn)綴森林的花朵和樹木等。開始這一切的融合發(fā)生在9億到19億年前，有些科學(xué)家正試圖縮小這個(gè)時(shí)間范圍。但布勞克斯有不同的目標(biāo)：他想知道的不是藻類起源于何時(shí)，而是它們何時(shí)變得對(duì)海洋食物網(wǎng)變得如此重要？它們什么時(shí)候從單純的生存走向真正的繁榮？它們什么時(shí)候取代藍(lán)藻作為世界上最頂級(jí)的光合作用系統(tǒng)？為了找出這些問題的答案，布勞克斯轉(zhuǎn)向了石油公司開采石油時(shí)取出的沉淀物。這些沉淀物中依然保存著古代細(xì)菌和海藻的殘骸，這些細(xì)菌和藻類死后沉入海底。雖然它們的細(xì)胞早已消失，但組成它們的化學(xué)物質(zhì)仍然存在。其他科學(xué)家曾經(jīng)嘗試過對(duì)這些化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行分析，但他們總是會(huì)發(fā)現(xiàn)奇怪的結(jié)果，因?yàn)殂@探機(jī)中的石油會(huì)污染沉積物。這些石油來自侏羅紀(jì)，也就是1.45億到2億年前，所以它掩蓋了早期化學(xué)物質(zhì)的存在。當(dāng)布勞克斯意識(shí)到這個(gè)問題后，他用工業(yè)機(jī)器磨去沉積物核心表面攜帶的污染物。他的團(tuán)隊(duì)會(huì)把剩下的石頭磨成粉末，然后放進(jìn)巨大的“咖啡機(jī)”里。它會(huì)向粉末中注入溶劑，并提取出內(nèi)部分子，從而產(chǎn)生一種棕色液體，看起來很像（幾乎就是）石油。布勞克斯和他的同事們?cè)谀欠N類似漿糊的物質(zhì)中尋找2組特殊的化學(xué)品：甾烷（在藻類細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)）和藿烷（在細(xì)菌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)）。通過比較這些物質(zhì)的比例，他們可以計(jì)算出這些基團(tuán)的相對(duì)數(shù)量隨時(shí)間推移發(fā)生了哪些改變。研究人員們發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)“雪球”期間，以及其之前的幾千年中，細(xì)菌藿烷的比例大大超過藻類甾烷。但在地球解凍的間隔期內(nèi)，也就是6.45億到6.59億年前，甾烷水平飆升了100至1000倍，達(dá)到一個(gè)峰值，并一直持續(xù)到今天。甾烷的多樣性也不斷增加，從單一的分子進(jìn)化成“分子大雜燴”。這些結(jié)果遠(yuǎn)比布勞克斯預(yù)想的更明顯，它們清楚地表明，在1400萬年的狹窄窗口期間，藻類迅速崛起，變得更加豐富和多樣化。布勞克斯表示：“藻類崛起的原因和產(chǎn)生的影響依然存在爭(zhēng)議，我很期待人們對(duì)此進(jìn)行辯論。”但藻類崛起本身的證據(jù)是非常明顯的，促使我們從細(xì)菌世界向藻類世界轉(zhuǎn)變?！睘楹螘?huì)如此？去年讀到一份研究，宣稱海洋中過去磷酸鹽（關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)成分）水平很低時(shí)，布勞克斯感到困惑不解。直到8億年至6.35億年前，磷酸鹽水平才開始上升，當(dāng)時(shí)恰是藻類崛起之前。布勞克斯稱：“我想：哇，這不可能是巧合！”當(dāng)磷酸鹽水平較低時(shí)，細(xì)菌比藻類表現(xiàn)得更好，因?yàn)樗鼈兊募?xì)胞要小得多。它們的表面積越大，就能從周圍環(huán)境中吸收越多的營(yíng)養(yǎng)。布勞克斯說：“如果營(yíng)養(yǎng)水平很低，體積小每次都能成為贏家。在一個(gè)低磷酸鹽的世界里，較大的藻類沒有機(jī)會(huì)?！痹诘厍蚴状巫兂伞把┣颉睍r(shí)，這場(chǎng)比賽的優(yōu)勢(shì)開始向藻類傾斜，當(dāng)時(shí)大量冰川變成粉末，將磷釋放到海洋中。當(dāng)?shù)厍蜃兣瘯r(shí)，新暴露的地面降雨增加，并向海中輸送更多的磷酸鹽。它在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上堪稱矯枉過正，但在這顆行星上此前從未發(fā)生過。布萊克斯稱，它打破了海洋細(xì)菌的束縛。以下就是布勞克斯認(rèn)為發(fā)生過的事情。起初，營(yíng)養(yǎng)過剩會(huì)幫助藍(lán)藻占據(jù)優(yōu)勢(shì)，這種藍(lán)藻可能被顯微鏡下才能看到的放牧細(xì)胞吃掉。這些細(xì)胞的數(shù)量遠(yuǎn)超細(xì)菌，為此可釋放出更多的營(yíng)養(yǎng)，以供更大的藻類生存，最終促使其蓬勃發(fā)展起來。這么多的藻類存在反過來又加速rhizarians這類掠食者的進(jìn)化，rhizarians被稱為單細(xì)胞獵手，它們每天會(huì)吞噬掉海洋中產(chǎn)生的50%藻類。全新的食物網(wǎng)出現(xiàn)了，捕食者和獵物之間的軍備競(jìng)賽也導(dǎo)致了越來越大的生物隨之進(jìn)化。到6.35億年前，也就是埃迪卡拉紀(jì)（Ediacaranperiod）到來前，厘米大小的生命體開始出現(xiàn)。也正是在那個(gè)時(shí)期，第一批動(dòng)物出現(xiàn)了。布勞克斯說：“它們出現(xiàn)的時(shí)間是如此接近，磷酸鹽首先出現(xiàn)，接著是藻類，隨后是動(dòng)物。藻類提供了食物和能源，使生物體變得越來越大。在只有細(xì)菌存在的生態(tài)細(xì)菌中，我不認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)鯊魚?！蔽魅A盛頓大學(xué)專注于研究古今藻類的羅賓·考德納（RobinKodner）說：“它代表了一個(gè)可行的方案，并將最新數(shù)據(jù)匯聚起來。但像所有涉及地球生物學(xué)研究的歷史那樣，顯得有些過分簡(jiǎn)單化?！崩纾性S多類型的藻類。其中，綠藻（特別是prasinophytes）是任何巨大生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的。目前還不清楚布勞克斯認(rèn)為崛起的藻類是否屬于prasinophytes。另外，許多prasinophytes很小，只比藍(lán)藻稍大。也沒有什么特別的原因證明，為何它們的崛起會(huì)以布勞克斯假設(shè)的方式對(duì)食物網(wǎng)大幅重塑。事實(shí)上，這樣的網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜。藍(lán)藻和藻類共存，充當(dāng)不同的角色。吞食某個(gè)群體的掠食者通常也會(huì)吃掉另一個(gè)種群。因此，研究海藻崛起究竟是如何導(dǎo)致動(dòng)物崛起的，可能還需要更多的工作?？嫉录{說：“僅從地質(zhì)學(xué)記錄獲取的數(shù)據(jù)，我不認(rèn)為我們可以做得比這做得更好?！惫鸫髮W(xué)的安德魯·克諾爾（AndrewKnoll）認(rèn)為，億萬年前發(fā)生的事件肯定很難重現(xiàn)，而且總會(huì)引起人們的猜測(cè)和辯論。但布勞克斯的研究有很高價(jià)值，因?yàn)樗岩欢巡煌挠^測(cè)糅合到統(tǒng)一的框架中，可以用于與未來的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行相比。正如布勞克斯所說的那樣：“如果有人來對(duì)我說，他們有一個(gè)更好的解釋，我很樂意接受?！本庉嫞簆_xiaojtan