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『生命之氧』氧的生物来源

已有 5629 次阅读 2008-11-28 08:14 |系统分类:科普集锦

 

上篇博文《『生命之氧』氧起源于何时通过对几篇NatureScience文章的解读和分析,介绍了地球大气中的氧大致起源于24-22亿年前。在此之前,地球上的生命形式基本都是些厌氧微生物。随着氧浓度的激增,生物开始由厌氧型向需氧型转变,一些更高等的生物相继出现。氧的起源时间问题有了初步的答案,那么这些氧气又是从哪里来的呢?

 

地球大气中氧的前世

 

科学家们称,甲烷的产生可能是一系列导致形成可呼吸大气的事件中一个被忽略了的环节。地球的早期环境中,氧气是相当稀薄的,甚至在有光合作用的细菌出现后也是这样。为了解释这个滞后,NASA Ames研究中心的David C. Catling和同事们提出这段时间的大部分可能被甲烷的生产所占据。根据这个假说,当其它微生物分解有机物质与可能的火山气体时,光合生物产生的氢被转化成甲烷。然后紫外线的轰击将甲烷分解成二氧化碳、氧气和氢气。氢气会逃逸到太空中,而重一些的氧气将在大气中积聚,使大气日益适宜陆地的生命Science,2001,293:839

 

CO2 + 2H2O→ CH4 + 2O2 →CO2 + O2 + 2H2(↑space)

 

美国宾州州立大学地质科学系对地球原始大气组成有颇多研究的James F. Kasting在其相关的perspective中更深入地讨论了这些发现Science,2001,293:819

           

 

氧气起源时间古生物学证据的争议

 

     地球形成初期,是一个没有生命的世界,地球大气中也没有游离氧。地球上最早出现的原始生命,是只能从无机和有机反应中获取能量的化能异养生物。直至出现了蓝藻,有了光合作用的色素,才能利用光能制造有机物,并释放氧气,使大气中氧浓度增加,在高空中逐渐形成臭氧层,阻挡太阳紫外线的直接辐射,改变了整个地球的生态环境。如前面博文所属,地质学证据表明氧气最早在24亿年前左右出现于地球大气层中。在五亿年之前,地球大气中的氧达到现在的10%时,植物才有了更大的发展。以后大气中的氧含量逐步增加到现有水平。因此可以说没有氧气,就没有生物界,也没有人类。

 

上篇博文介绍的关于24亿年前氧起源的地质学证据的4篇文章分别发表于2000年和2002Science,2000,289:756289:7562004298:2369298:2372。然而,在地质古生物学上,科学家们利用化石追踪那些产生氧气的有机体的做法存在着一定局限性——化石只能回溯到距今约20亿年前的年代,而地球距今已有45亿年的历史。为了搞清在此之前到底发生了什么,科学家必须依靠生物学过程所产生的化学痕迹,而在某些环境条件下,则还需要依靠推理。1999年,澳大利亚Sydney大学地质科学院的Jochen J. Brocks等对来自西澳大利亚的具有27亿年历史的页岩样本进行了研究。他们发现了一些碳氢化合物(被称作生物标志物,是一种特殊的化学合成物,由蓝藻的近亲和其他复杂生物产生),而后者表明当时曾存在某些能够产生氧气的细菌Science,1999,285:1033。这一发现又产生了一个新的谜题:与对古岩石进行的化学研究得出的氧气开始在地球大气中传播的时间相比,该发现将地球上光合作用出现的时间提前了约3亿年。这一时间上的差异一直困扰着那些试图将他们的数据与进化模型相吻合的研究人员。

 

然而,就在今年,确切的说是1个月前,澳大利亚Curtin大学应用地质学系的Birger Rasmussen等在1023号的Nature上对此报告了一种可能的答案Nature,2008,455:1101

 

地球上最早的生命是单细胞生物体,叫原核生物,细菌就是这种生命的代表。接着出现了蓝藻,这是能够进行光合作用产生氧气的细菌(光合放氧细菌)。在1999以前,已知最老的蓝藻化石是21.5亿年前的,最早的真核细胞化石大概是17亿年前的。这些有机生物的残余在地球内部高温和高压之下可能转化为石油和油原(油母岩质)一种含碳丰富的长链复合物的混合体。

 

Birger Rasmussen在他们的文章中则认为,Brocks对于澳大利亚岩石的分析就存在疑点。页岩是27亿万年前的沉积物,它包含了焦沥青的小微粒,这种小微粒是在沉积层受到高温烘烤凝固而成的类似于煤的油滴残余物。焦沥青的存在表明沉积物和其中包含的有机物都经历了长时间的200300的高温。这些岩石中还含有大量的油原。

 

然而,岩石样本里面还含有少量的藿烷和甾烷,藿烷是由蓝藻和其他细菌产生的有机化学物,甾烷只能由真核细胞产生。这些岩石中所含的生物标志物应该在产生焦沥青时的高温和高压条件下就被破坏了。这是一个疑点,” Rasmussen说。但是因为澳大利亚岩石并没有显示由高温所产生的降解现象,所以当时科学家基本上没有考虑藿烷和甾烷是在沉积层形成之后才进入到岩石之中的。但是这个解释又产生了另外一个疑点,科学家们所推断的放氧蓝藻出现的时间比空气中氧气大量出现的时间至少还早了3亿5千万年。

 

这些试验的结论是1999年得出的。Rasmussen等随后还陆续进行了一些试验,这些试验把从地层中提取出来的生物标志物里的碳同位素比与残留在岩石中的焦沥青和油原的碳同位素比相比较。这些比较可以使研究人员确认这两种物质是否是产生于同一批有机物。

 

Rasmussen一文的第二作者Ian Fletcher说,对于生物标志物同位素的测量是分散进行的,这样能够把焦沥青中的同位素比同它旁边的油原的同位素比区分开来。在新的分析中,他和Rasmussen以及他们的同事们(其中一位同事Jochen J. Brocks还参加1999年的研究小组,是那篇文章的第一作者和通讯作者,现供职于澳大利亚国立大学地球科学研究院)使用了一种带有微探针的仪器,这种微探针可以测量完整的岩石块中碳同位素比率,岩石块可以小到直径5微米,几乎相当于一个单独的细菌大小。

 

Fletcher表示,在油原和其他碳氢化合物中同位素碳13的含量通常为千分之一到三,要小于衍生出这些物质的原始有机物中的含量。但是这个研究小组的新分析却显示,澳大利亚岩石的油原和焦沥青中同位素碳13的含量却达到了千分之十到二十,小于从相同岩石中提取出来的藿烷和甾烷的碳13的含量,藿烷和甾烷被认为是未经任何改变的蓝藻和真核细胞的生物标志物。Fletcher继续说,这样的差别说明油原和焦沥青很有可能跟生物标志物没有关系。还有明显的迹象表明,这些生物标志物是距今22亿年前之后的某个时间,当这些岩石经历一系列的变形产生了焦沥青之后才进入岩石的。我们不能确认这些生物标志物来自于哪里。

 

   Rasmussen等的论文一经发表,便引发了巨大的轰动和新的争议。

 

   加州理工(Caltech)的地球生物学家Woodward Fischer评价到,能够探测到几十亿分之一那么小的物质的仪器本来也会带来问题,因为这样的元件也有可能沾到微量的污染物,比如由有机物所产生的藿烷和甾烷,在柴油机的排放物中、化石燃料排放物和城市的空气污染中都可以探测到。但同时他也指出,这一结论具有说服力,同时有无数双眼睛正在注视着它将产生怎样的影响Fischer表示,之前的研究被视为氧气和光合作用生物体出现的一个标准的时间测定结果,同时其他研究人员得出的任何不一致的数据都被认为是不可信的。他相信,新的研究结果最终将再一次解放人们的思想,从而寻找其他早期氧气的起源。

 

   NASA Goddard空间飞行中心的地球有机化学家Jennifer Eigenbrode认为,新发现是一份非常有趣的报告,但是Rasmussen和他的同事们只给了这些结果唯一的解释

 

      27亿年前的一些微生物群中的有机物从二氧化碳中获取碳,另外一些则从甲烷中获取。在当时没有氧气的大气中,这两种气体都非常充足。那个时候,我们的星球完全是另外一副样子,” Eigenbrode说道。因为当时的微生物经常自身反复循环碳,存在于他们的生物标志物之中的碳13的分布量要大大高于今天的微生物群中的分布量。微生物群可能制造出藿烷和甾烷,当藿烷和甾烷被加热的时候,产生出在澳大利亚岩石中所见到的同位素一般大小的焦沥青和油原。所以这些生物标志物还是可以被看作是早期复杂生物存在的证据。

 

哈佛大学的地球生物化学家Andrew说,1999年开始研究有27亿万年历史的澳大利亚岩石后,在世界各地特别是在南非,在其他类似岩石的中也探测到支持蓝藻早期存在的生物标志物。尽管新的研究结果让一些证据站不住脚,但并不是所有的证据都被推翻了。

 

 既然这样,那么这里我们不妨假设Brocks1999年的说法是正确的。原始的生物体不断地发展变化,约在27亿年前,出现了含有叶绿素,能进行光合作用的原始藻类。这些藻类进行光合作用所释放的氧,进入大气后开始改变大气的成分。这是地球环境进化史上一次重大的发展,整个过程约在18亿~22亿年前完成。大气中氧的出现和浓度不断增加,对于生物来讲有极重要的意义。首先,生物的代谢方式开始发生根本性改变,从厌氧生活发展到有氧生活。代谢方式的改变大大促进了生物的进化发展。约在10亿~15亿年前出现了单细胞真核植物,以后逐渐形成多细胞生物,并开始出现了有性生殖方式。再后来……,大家尽情的畅想吧


           

饥饿细菌导致早期地球大气氧含量骤然上升

原文 by Devin Powell
25亿年前,地球大气中的氧突然增加,使得地球变得适合生物居住,有迹象表明,这可能和一种嗜镍细菌有关。
加拿大阿尔伯塔大学的Stefan Lalond和同事在研究条状铁矿石中沉积的镍时,发现在氧含量突然增加的200万年前,镍的丰度下降了2/3。他们认为,这使得海水中需要镍来帮助代谢产生能量和甲烷的产烷细菌面临了饥饿危机,从而产生甲烷大量减少。而甲烷会消耗大气中的氧,它的减少最终导致大气氧含量增加。
据他们推测是由于在这之前大量岩浆喷发导致地球内部热量减少,这种情况下海洋板块比大陆板块生长得快,而海洋板块中镍含量相对较低,从而导致镍大量减少。
不过也有科学家怀疑产烷细菌对大气氧含量增加起得作用有限,因为虽然细菌不活跃导致甲烷产量减少,但这反而可能触发新的消耗氧气的机制。



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