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地球轮回于雪球与温室间 生命在"冰与火"中诞生?

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发表于 2017-8-28 23:57:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
对于地球上的生命来说,上演这首“冰与火之歌”是非常重要的时期。澳大利亚国立大学的约翰·布劳克斯(Jochen Brocks)解释称,这个过程释放了大量的营养物质,它们永久地改变了海洋,将其从简单地由细菌为主导变成藻类占优势的世界。反过来,藻类又彻底改变了海洋中的食物网,为越来越大、越来越复杂的生命进化铺平了道路,比如第一代动物。如果海藻时代从未到来,可能也不会有如今的我们。
  出品|网易科学人栏目组





  译者|小小
  大约7.17亿年前,地球变成了“雪球”。几乎所有海洋表面都结出厚厚的冰,陆地变成了互相连接的“超级大陆”,表面被1600多米厚的冰层覆盖。然后,一切都改变了。火山喷发释放出大量二氧化碳进入大气层,它们吸收太阳的热量并促使全球变暖。最终冰开始融化,海面温度达到48.9摄氏度到60摄氏度。到6.59亿年前,世界已经从“雪球”变成了“温室”。仅仅1400万年后,冰又回来了,地球第二次变成“雪球”。
  
  对于地球上的生命来说,上演这首“冰与火之歌”是非常重要的时期。澳大利亚国立大学的约翰·布劳克斯(Jochen Brocks)解释称,这个过程释放了大量的营养物质,它们永久地改变了海洋,将其从简单地由细菌为主导变成藻类占优势的世界。反过来,藻类又彻底改变了海洋中的食物网,为越来越大、越来越复杂的生命进化铺平了道路,比如第一代动物。如果海藻时代从未到来,可能也不会有如今的我们。
  在海藻之前,海洋主要由细菌控制。这些微生物中的蓝藻(cyanobacteria,又称蓝细菌)可以利用阳光支持的光合作用为自己制造食物。在这样做时,它们为地球大气中提供了大量氧气,从而形成了海洋食物网的基础。那是它们的世界。接着,在一个偶然事件中,一个古老而又复杂的细胞吞噬某个蓝藻,并获得其进行光合作用的能力。那个融合细胞随后产生了所有的藻类和植物,从漂浮在海洋中的大量绿色浮游生物,到包裹寿司卷的海藻,再到点缀森林的花朵和树木等。
  开始这一切的融合发生在9亿到19亿年前,有些科学家正试图缩小这个时间范围。但布劳克斯有不同的目标:他想知道的不是藻类起源于何时,而是它们何时变得对海洋食物网变得如此重要?它们什么时候从单纯的生存走向真正的繁荣?它们什么时候取代蓝藻作为世界上最顶级的光合作用系统?
  为了找出这些问题的答案,布劳克斯转向了石油公司开采石油时取出的沉淀物。这些沉淀物中依然保存着古代细菌和海藻的残骸,这些细菌和藻类死后沉入海底。虽然它们的细胞早已消失,但组成它们的化学物质仍然存在。其他科学家曾经尝试过对这些化学物质进行分析,但他们总是会发现奇怪的结果,因为钻探机中的石油会污染沉积物。这些石油来自侏罗纪,也就是1.45亿到2亿年前,所以它掩盖了早期化学物质的存在。
  当布劳克斯意识到这个问题后,他用工业机器磨去沉积物核心表面携带的污染物。他的团队会把剩下的石头磨成粉末,然后放进巨大的“咖啡机”里。它会向粉末中注入溶剂,并提取出内部分子,从而产生一种棕色液体,看起来很像(几乎就是)石油。布劳克斯和他的同事们在那种类似浆糊的物质中寻找2组特殊的化学品:甾烷(在藻类细胞中发现)和藿烷(在细菌细胞中发现)。通过比较这些物质的比例,他们可以计算出这些基团的相对数量随时间推移发生了哪些改变。
  研究人员们发现,在第一个“雪球”期间,以及其之前的几千年中,细菌藿烷的比例大大超过藻类甾烷。但在地球解冻的间隔期内,也就是6.45亿到6.59亿年前,甾烷水平飙升了100至1000倍,达到一个峰值,并一直持续到今天。甾烷的多样性也不断增加,从单一的分子进化成“分子大杂烩”。这些结果远比布劳克斯预想的更明显,它们清楚地表明,在1400万年的狭窄窗口期间,藻类迅速崛起,变得更加丰富和多样化。
  布劳克斯表示:“藻类崛起的原因和产生的影响依然存在争议,我很期待人们对此进行辩论。”但藻类崛起本身的证据是非常明显的,促使我们从细菌世界向藻类世界转变。”为何会如此?去年读到一份研究,宣称海洋中过去磷酸盐(关键营养成分)水平很低时,布劳克斯感到困惑不解。直到8亿年至6.35亿年前,磷酸盐水平才开始上升,当时恰是藻类崛起之前。布劳克斯称:“我想:哇,这不可能是巧合!”
  当磷酸盐水平较低时,细菌比藻类表现得更好,因为它们的细胞要小得多。它们的表面积越大,就能从周围环境中吸收越多的营养。布劳克斯说:“如果营养水平很低,体积小每次都能成为赢家。在一个低磷酸盐的世界里,较大的藻类没有机会。”在地球首次变成“雪球”时,这场比赛的优势开始向藻类倾斜,当时大量冰川变成粉末,将磷释放到海洋中。当地球变暖时,新暴露的地面降雨增加,并向海中输送更多的磷酸盐。它在营养学上堪称矫枉过正,但在这颗行星上此前从未发生过。布莱克斯称,它打破了海洋细菌的束缚。
  以下就是布劳克斯认为发生过的事情。起初,营养过剩会帮助蓝藻占据优势,这种蓝藻可能被显微镜下才能看到的放牧细胞吃掉。这些细胞的数量远超细菌,为此可释放出更多的营养,以供更大的藻类生存,最终促使其蓬勃发展起来。这么多的藻类存在反过来又加速rhizarians这类掠食者的进化,rhizarians被称为单细胞猎手,它们每天会吞噬掉海洋中产生的50%藻类。
  全新的食物网出现了,捕食者和猎物之间的军备竞赛也导致了越来越大的生物随之进化。到6.35亿年前,也就是埃迪卡拉纪(Ediacaran period)到来前,厘米大小的生命体开始出现。也正是在那个时期,第一批动物出现了。布劳克斯说:“它们出现的时间是如此接近,磷酸盐首先出现,接着是藻类,随后是动物。藻类提供了食物和能源,使生物体变得越来越大。在只有细菌存在的生态细菌中,我不认为会出现鲨鱼。”
  西华盛顿大学专注于研究古今藻类的罗宾·考德纳(Robin Kodner)说:“它代表了一个可行的方案,并将最新数据汇聚起来。但像所有涉及地球生物学研究的历史那样,显得有些过分简单化。”例如,有许多类型的藻类。其中,绿藻(特别是prasinophytes)是任何巨大生态系统中不可或缺的。目前还不清楚布劳克斯认为崛起的藻类是否属于prasinophytes。
  另外,许多prasinophytes很小,只比蓝藻稍大。也没有什么特别的原因证明,为何它们的崛起会以布劳克斯假设的方式对食物网大幅重塑。事实上,这样的网络十分复杂。蓝藻和藻类共存,充当不同的角色。吞食某个群体的掠食者通常也会吃掉另一个种群。因此,研究海藻崛起究竟是如何导致动物崛起的,可能还需要更多的工作。考德纳说:“仅从地质学记录获取的数据,我不认为我们可以做得比这做得更好。”
  哈佛大学的安德鲁·克诺尔(Andrew Knoll)认为,亿万年前发生的事件肯定很难重现,而且总会引起人们的猜测和辩论。但布劳克斯的研究有很高价值,因为它把一堆不同的观测糅合到统一的框架中,可以用于与未来的发现进行相比。正如布劳克斯所说的那样:“如果有人来对我说,他们有一个更好的解释,我很乐意接受。”


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