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原标题:也能生长,生命的跃升科学技术

浏览次数:170 时间:2019-05-03

科学技术 1有一些光合细菌,产生的是硫,而非氧气。图片来源:quesabesde.com

运动的核心是肌肉,肌肉由肌纤维构成,能够将化学能转化成机械能。运动决定了演化的节奏,让生命变得更强壮、更敏捷、更巨大,它让地球上的生命活力四射。

或应调整外星生命寻找方向

海洋灾难

即使有一天,生物学家真的在实验室里制造出了靛蓝菌,也不能证明靛蓝菌曾经自然演化产生过。对于埃兰来说,渐进假设并不能解释所有的事实。为什么如此显而易见、如此简单的过程,需要花上10亿年的时间?为什么产生氧气的光合作用只演化出了一次?(到目前为止,据我们所知,只有蓝藻。植物通过让蓝藻在体内生活,获得了这种光合作用的能力——换句话说,植物的叶绿体是由蓝藻发展而来的)。而且,为什么所有蓝藻都同时具有两种类型的反应中心?

埃兰同样认为,Ⅰ型反应中心先演化出来。但是在这之后,他的假设就大不相同了。他认为,光合作用细菌在发展早期遇到了某种问题,导致多复制了一整套Ⅰ型反应中心基因。多出来的这一套反应中心,拥有很大的自由度,可以承担不同的功用。这套反应中心演化出了循环利用的电子,成为了最初的Ⅱ型反应中心。埃兰推测,由于拥有两套不同的反应中心,使得这些“早期蓝藻”在广泛的环境中兴盛起来。当环境中的硫化氢比较充裕时,它们使用Ⅰ型反应中心。当硫化氢不足时,它们转而使用Ⅱ型反应中心,循环利用已经得到的电子。

然后有一天,灾难降临了。一些早期蓝藻漂进了一处富含锰、却缺少硫化氢的浅滩。细菌适时启用了Ⅱ型反应中心。然而,紫外线照射锰会使锰放出电子,所以,事实上环境中存在着大量的电子。这些电子很快就造成了Ⅱ型反应中心的拥堵。虽然锰离子会和水反应生成氧化锰,但周围环境中仍然存在着大量的锰,继续产生过量的电子,造成早期蓝藻的死亡。

或者说,造成了绝大部分早期蓝藻的死亡,只有一个幸运儿存活了下来。埃兰认为,在这个幸运儿中,由于基因突变,同一时间只能开启一套反应中心的开关坏掉了。当两套反应中心同时运作时,锰产生的电子流经Ⅱ型反应中心后会被Ⅰ型反应中心抽走,这样就解决了阻塞问题。换言之,两种反应中心开始联手工作了,就像在现代蓝藻中一样(参见《欧洲生物学化学会联盟通讯》,第579卷,963页)。

可是,这个细菌的后代是怎么从由锰提供电子,转到由水提供电子的呢?从某种程度上来说,它们没有变过。直到今天,所有植物用于光合作用的电子都是由锰提供的。只不过,这些电子现在来自于Ⅱ型反应中心内部的一个锰原子团簇。这个团簇具有一项不同凡响的能力——当它给出电子之后,能够从水分子中偷来电子,从而把水分子裂解开,释放出氧气。

当早期蓝藻演化出这种Ⅱ型反应中心后,它们对锰原子的需求就微乎其微了。接下来,它们就能从富含锰的水域向外开枝散叶,借助无穷无尽的水和阳光,开发利用当时丰富的二氧化碳资源。不久之后,数量庞大的蓝藻喷吐出来的氧气,改变了大气组成。

科学技术 2几乎从生命在地球上出现开始,这样的细菌就能进行光合作用。然而为什么直到10亿年后,它们才开始制造氧气?图片来源:flash-screen.com

如果埃兰的假设是正确的,蓝藻偶然进入富含锰的环境,以及关键基因开关的失控,必然发生在同一时间。埃兰也同意,这种情况出现的几率太低了。但这或许就是产生氧气的光合作用耗费了10亿年才出现的原因。他说:“我研究的这条路线只是个时间问题,经过漫长的时间,终于等到两个意外因素,同时出现在一个细菌上。”出乎人们意料的是,现在埃兰的理论已经有实实在在的证据支撑了:我们已经发现了一处罕见的、富含锰的环境。

美国加州理工学院的伍德沃德·菲舍尔(Woodward Fischer)及其同事,一直在研究位于现今南非的岩层,该岩层的形成时期恰好是在氧含量上升的前夕。他们发现一处岩石中二氧化锰含量非常之高,而且意义格外重大的是,这处岩石是在缺乏氧气的环境中形成的。即使是紫外线,也不足以产出如此规模的氧化锰。这个研究团队在2012年12月的一次会议上说,埃兰提出的早期蓝藻的光合作用模式,似乎是对这种现象的唯一可信的解释。

“这是个重大新闻,令人兴奋不已,恰如其分地证实了约翰的假设,”德国杜塞尔多夫大学的威廉姆·马丁(William Martin)如此评论。他是一位支持埃兰假说的早期演化研究人员,一直和埃兰保持着合作,收集相关证据。但是布兰肯西普依然坚持他的看法。用他的话来说,他跟埃兰及马丁就产生氧气的光合作用如何起源的问题,进行过多次“十分激烈但是相当友好”的交流讨论。

这场争论,只能有待于发现过渡种类的活生生的代表,不管是靛蓝菌还是早期蓝藻,才能够一锤定音了。令人惊讶的是,布兰肯西普和埃兰都确信,他们各自认为的过渡菌种,依然生存在世界的某个角落。“我们现在仍然可以在地球上找到一些特殊环境,与距今24亿年前的典型条件极为类似,”埃兰说,“所以,认为这些微生物依然在某处生活着,也并不荒谬。”

不管蓝藻的祖先到底是什么,我们都应该对其心怀感激。“这种生物也许是意外的产物,却非常重要,”埃兰说,“原因很简单,因为它永远地改变了这个世界”。

 

编译自:《新科学家》,Dawn of the water eaters: How Earth got its oxygen

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氧气是支撑地球生命的关键物质。生命诞生之初的地球上并没有氧气,空气中满是二氧化碳、甲烷等气体。细菌出现后,一部分细菌已经能够利用太阳光从海洋中的硫化氢里提取电子,然后电子与二氧化碳形成糖,这被称为光系统。

早在17世纪中叶,欧洲科学家就发现植物、动物与水、光、二氧化碳之间存在着奇妙的关系,这是人类对光合作用最早的认识。后来,1771年被称为光合作用发现年。

远古光合作用

过去的10年来,我们对地球历史这一阶段的认识,发生了大逆转。教科书会告诉你,光合作用甫一出现,氧含量就开始攀升。但是,据我们现在所知,有些生物早在34亿年前就能进行光合作用,这比氧含量上升要早得多。问题在于,为什么氧气会在那么久之后,才喷涌而出?

本质上,光合作用就是“收割”太阳能。植物利用太阳能制作食物,把二氧化碳变成碳链。这一过程中产生的糖类可以用作能源,也可以用于制造从蛋白质到DNA不等的各种更复杂的分子。可能与你所预期的不同,产生氧气并非不可避免。事实上,许多细菌都可以不用产生氧气,就把光能和二氧化碳转化为食物。而且,近期的研究表明,细菌这种光合作用的历史,几乎和地球生命史一样悠久。

2004年,当时任职于美国加利福尼亚斯坦福大学的迈克尔·泰斯(Michael Tice)和唐纳德·罗威(Donald Lowe),在南非研究距今34.1亿年前形成于浅水中的岩石时,发现一种化石结构与现代光合细菌形成的微生物席非常类似,但是没有任何氧气产生的迹象(参见《自然》杂志,第431卷,549页)。对此,他们认为最可能的解释是,这些细胞进行的是不产生氧气的光合作用。

从这一发现起,我们开始真正接触到早期光合细菌。2011年,英国牛津大学的马丁·布雷泽(Martin Brasier)及其同事在澳大利亚西部的岩石中发现了距今34.3亿年前的细菌细胞化石(参见《自然·地球科学》,第4卷,698页)。“它们生活在光照良好的潮间带或潮上带,”布雷泽说。岩石的化学组成,以及充足的光线,充分表明这些细胞中有些能进行光合作用,却不产生氧气。

不产生氧气的光合作用出现得如此之早,似乎相当令人惊讶。现在已知最早的化石,形成于距今34.9亿年前,仅仅比它们略早一点。在英国伦敦大学学院研究生命起源的学者尼克·雷恩(Nick Lane)认为,一旦生命演化到能够依靠化学能为生,转而利用太阳能其实算不上什么飞跃。“实际上,光只是让电子流过同一台设备而已,”他说。

对于雷恩这样的研究人员来说,谜题在于,为什么产生氧气的光合作用要经过如此漫长的岁月才演化出来。产生氧气的光合作用出现在大约24亿年前,可能比不产生氧气的光合作用晚了10亿年。明明更具优势,为什么它会如此姗姗来迟?

光合作用分为两个主要步骤。在第2步中,电子进入二氧化碳,帮助把二氧化碳分子转化成糖类。而第1步则是获取这些电子,也就是从一种分子上剥离出电子,用来产生驱动第2步所需的电化学梯度。

最早的生命,诞生在距今38亿年前。海底岩浆形成的热泉口,最高温度可达400℃,喷出许多致命的含硫矿物。正是在热泉口附近,科学家发现了微小的空腔结构,而氢气和二氧化碳就在这些空腔里形成了有机分子,这些有机分子就是生命的原材料。

从17世纪中叶发现光合作用以来,有可见光才能转换能量的定式思维已经存在数百年。然而,6月15日《科学》杂志刊发的一项研究成果改变了这一传统经典理论,研究人员发现,一种蓝藻细菌在光合作用过程中可以把“近红外光”转换成生命体所需要的化学能,而不是“可见光”。

那是一场灾难。在数次生物大灭绝事件中,氧含量上升毁灭的物种比例很可能高居魁首。尽管如此,氧气的危险特质——高活性,也使得它能够成为一种丰富的能量来源。生命很快就开始开采这座宝库,我们的动物祖先也在其中。

6. 我们生命中所珍爱的一切、我们世界的所有奇迹,都来自一个单一的事件——既是偶然,又是必然。

来自英国帝国理工生命科学系的研究人员发现,在美国黄石公园的细菌垫、以及澳大利亚的海滩岩等阴暗环境中,存在着一种蓝藻细菌。由于它周围几乎没有可见光,含有叶绿素-a的标准光合作用系统就会失效,从而被叶绿素-f接管。

(文/ Colin Barras)这颗星球正处于危机之中。死亡无处不在,散发出铺天盖地的恶臭。生命之树的所有枝杈几乎都被清洗一空,曾经鲜活的生命变成了逝去的记忆。造成这一切的罪魁祸首,仅仅是一种气体,一种非常成功的物种排入大气的废气。欢迎来到24亿年前的地球。

莱恩认为,进化历史上的“发明”,造就了生命和今天的世界,这些“发明者”,不是某个人,而是大自然。在《生命的跃升》中,莱恩总结了他眼中自然界最伟大的“十大发明”。《独立报》评价他为“我们时代最令人激动的科普作家之一”。

科学家也表示,最新报道的这种基于叶绿素-f的光合作用代表了第三种广泛存在的光合作用类型。但是,它仅适用于阴暗且富含红外线的特殊环境中;在正常光照条件下,光合系统仍会使用标准的红光形式进行光合作用。

距今24亿年前,可以说是生命历史上最为动荡的一段时期。生命已经在地球上繁荣发展了10多亿年,然而,一种新的单细胞生物在此时华丽登场。它们可以利用太阳能,利用过程中却会产生有毒的副产品——氧气。这种单细胞生物迅速在原始海洋中繁衍到了一个不可思议的数量,大气成分也因此改变。

1. 不管生命是多么极端罕见,在无限宇宙中,生命总会出现在某个行星上,而我们只能生活在这样的行星中。

这一发现不仅有重要的科学价值,也有积极的实际意义。例如对农作物的改造,帮助寻找外星生命等。

10亿年的延迟

在产生氧气的光合作用中,由水分子提供电子。剥离电子的过程使水分子裂解为氢离子和氧。在把二氧化碳转化为糖类的过程中,氢离子和电子起着至关重要的作用,而氧气则是一种没什么用的副产品。

在不产生氧气的光合作用中,电子由其它种类的分子提供,其中最为普遍的是硫化氢。裂解硫化氢产生的副产品是硫。硫化氢具有非常容易失去电子的优点,或者说非常易于氧化。而且在早期海洋中,硫化氢也很常见。不过,在不产氧的光合作用发生的表层水域,硫化氢估计很快就被消耗一空了。

用水提供电子的最大好处是,水在海洋中可谓取之不尽用之不竭。但是,水的缺点也不小。“氧化水非常困难,”美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学的罗伯特·布兰肯西普(Robert Blankenship)说。我们现在依然在为之努力:研究人员已经进行了数十年的尝试,希望开发出一种廉价高效的裂解水的方法,以生产氢气作为燃料。

因此,在选择水之前,光合细菌最先选择容易氧化的物质,也就合情合理了。传统观点认为,产生氧气的光合作用,是经过一系列中间阶段,逐渐从不产生氧气的版本演化而来的。布兰肯西普和很多研究人员都支持这一观点。然而,过去10年来,英国伦敦大学玛丽女王学院的约翰·埃兰(John Allen)提出了一个不一样的剧本,这个剧本有点令人难以置信。“演化过程必然是突发性的,”他说,只有那样才能解释10亿年的延迟。

产生氧气的光合作用是如何出现的,所有与此有关的假设都不能绕过以下4个具有重要意义的事实。事实1:不产生氧气的光合作用有两个迥异的类型。一些细菌具有被称为Ⅰ型的反应中心,它们从硫化氢之类的分子中获取电子,而且电子走的是单行道,即每个电子只利用一次。另一些细菌具有Ⅱ型反应中心,可以在内部循环利用电子,从而降低了对外界电子来源的依赖。

科学技术 3自然界中的光合作用,存在3种形式。图片来源:《新科学家》

事实2:在产生氧气的光合作用中,一个Ⅰ型反应中心和一个Ⅱ型反应中心串联在一起工作。事实3:尽管蓝藻同时具备两种反应中心,但它只用Ⅱ型反应中心来裂解水分子产生氧气。并且,反应发生的位置上,有4个锰原子排列在一个钙原子周围。事实4:具有Ⅱ型反应中心、进行不产生氧气的光合作用的细菌,不具备这种锰和钙的组合。

布兰肯西普认为,后两个事实最为重要,它们指向了一个简单的发展过程。他认为Ⅰ型反应中心先演化出来。从古至今,基因交换在细菌中一直十分普遍。编码Ⅰ型反应中心的基因被另一类细菌获得,通过逐渐调整修改基因编码,形成了Ⅱ型反应中心。之后,这类细菌的后代又把金属原子纳入其中。最后,形成了包含4个锰原子和一个钙原子的结构布局。现在,细菌可以只用Ⅱ型反应中心氧化水分子,进行产生氧气的光合作用了。

布兰肯西普声称,在此之后,这些细菌的后代通过基因交换,又获得了Ⅰ型反应中心,蓝藻就这样产生了。因此,布兰肯西普认为,蓝藻具有两种不同类型的反应中心,只是一个巧合。

该假说作出了一个明确的预测:曾经有一种不同于蓝藻的细菌,能够通过光合作用产生氧气。这个缺失环节,将具有Ⅱ型反应中心、进行不产生氧气的光合作用的细菌(其中包括紫细菌,一种现生细菌),与进行产生氧气的光合作用的蓝藻联系在了一起,因此我们不妨称之为“靛蓝”菌。目前为止,还没有“靛蓝”菌被发现。布兰肯西普和其他研究人员试图通过其它方法,证明靛蓝菌曾经存在过。

美国亚利桑那州立大学的一支研究团队,试图把紫细菌改造成类似于靛蓝菌的生物。这或许是诸多尝试中意义最为重大的一次。研究人员改造了紫细菌,使它们有能力将锰离子纳入反应中心,并利用锰离子与含有氧元素的分子发生反应(参见《美国科学院院报》,第109卷,2314页)。这还算不上是产生氧气的光合作用,却是向着目标方向迈出的一步。

眼睛的前身是感光细胞,这种细胞包含了视觉色素——视紫红质,能够感受到光的存在。在后来的演化过程中,脊椎动物的感光细胞变成了眼睛,而无脊椎动物的感光细胞变成了负责昼夜的生物钟。在生命演化的历史上,感光细胞只演化了一次,却成为视觉的起点。

由于在已知的所有植物、藻类、蓝藻细菌中都存在叶绿素-a,因此我们一直认为光合作用有一个“红光极限”(波长400—700nm),它代表着光合作用所需的最低能量。在天体生物学中,红光极限常被用以判断复杂的生命是否可能在其他行星上演化的参考之一。

死亡是我们最不想面对的事情,但又是每一个人最终不得不面对的事情。早在30亿年前,地球上还只有细菌的时候,为了与噬菌体对抗,细菌就演化出了程序性死亡。正是因为死亡的存在,我们才懂得珍惜时间,珍爱生命。

当处于阴暗条件下时,叶绿素-f就会在光合作用过程中起着关键性作用,它能利用能量很低的近红外光来进行复杂的化学反应。

5. 细菌是终极保守者,而真核细胞则喜欢时不时来个惊天动地的大改变,就像寒武纪大爆发。

“这个发现极大地拓展了我们对光合作用的认识,按照这个思路,人类可在基本没有可见光的深海海底,或地外行星上,寻找新的生命。”南京农业大学生命科学学院副教授许晓明告诉科技日报记者。

关于作者

但是,对于寻找外星生命来说,这个发现可谓意义重大。

九、意识

光合色素主要分为两大类,一类是天线色素,主要是负责接收光并传递到反应中心,另一类是反应中心色素,它能把光在反应中心进行电荷分离,转换成有机物质。这其中,叶绿素-a是主角,其他如叶绿素-b、叶绿素-c、叶绿素-d等都是配角,只有叶绿素-a才能完成接收传递光、并将可见光转化为化学物质和氧气的过程。

高新陈代谢率和食物的高消耗,导致热血动物的寿命相对更短、种群数量更少。但热血的优势有两大方面:一方面,热血允许动物在夜间活动并在寒冷的区域生存,扩大了活动时间和生存范围;另一方面,热血将更多资源提供给大脑,让生命体拥有了更大的大脑和更高的智商。

而人们又发现,光合色素只能吸收太阳光中的可见光。具体来说,是吸收可见光中的红光和蓝光,反射绿光。人们已知所有的植物中都有叶绿素存在,所以植物也就呈现出绿色。

凭借着生动的语言和严谨的论证,本书获得了2010年英国皇家学会科学图书奖,并被《新科学家》、《自然》、《泰晤士报》、《独立报》等知名媒体评选为当年的年度图书之一。

叶绿素-f能吸收波长大于760nm的光,是已知能吸收最大波长的光的叶绿素。在此之前,人类一直以为它只具有捕获光的作用。而最新的研究表明,叶绿素-f在光合系统中也能进行光化学反应。

尼克·莱恩,英国著名生物化学家,伦敦大学学院遗传、演化与环境系教授,专门研究生物进化。

绿色植物利用太阳的光能,同化二氧化碳和水制造有机物质并释放氧气的过程,称为光合作用。光合作用是一切生物生存、繁衍和发展的根本保障。

为了抵御强烈的紫外线辐射,细菌吸收了许多锰元素。作为“保镖”的锰元素不仅保护了细菌,还形成了锰原子簇。锰原子簇能够从水中得到电子,同时释放出氧气。起初这个过程很慢,但是当叶绿素加入进来之后,反应速度越来越快,光合作用最终诞生。

“这是一项非常重大的发现,这种新形式的光合作用改变了我们对标准光合作用中的核心事物的理解。”许晓明认为,过去常被视为配角的叶绿素-f,实际上执行着光合作用中的关键化学步骤。这将改变长期以来对主要的光合作用形式是如何工作的观点,同时也预示着将来有可能继续发现其他类型的光合作用。

2. 最初的生命是一块多孔石头,生产出能量和复杂分子,一直到蛋白质和DNA形成。

“人类在20世纪对光合作用有了深入地科学认识,通过研究发现光合作用是通过光合色素完成的。”许晓明说,太阳光有赤橙黄绿青蓝紫,不是一种色素能够全部吸收的,所以广义的光合色素包括叶绿素和类胡萝卜素、叶黄素等。

一、生命的诞生

生命与水、光之间的奇妙关系

脱氧核糖核酸,也就是DNA。DNA的功能是信息储存,其中的许多信息可以遗传给后代。这些有遗传效应的DNA片段也就是基因。每种动物的DNA都有差别,正是这种差别才让地球上的生命变得如此丰富多彩又变幻莫测。

原文链接:

动物分为热血和冷血,我们人类所属的哺乳动物属于热血动物。热血的核心是高新陈代谢率,最明显的优势是更好的力量和耐力。热血动物就像是一座微型电站,通过燃烧碳来产生热量,如此一来就不再畏惧寒冷的夜晚和冬季了。

不甘当配角的叶绿素-f

十、死亡

“我们可以通过基因改造的方式,让农作物具备在阴暗环境下生长的可能,但是目前来看还没有这个必要性。”许晓明说,光照越强转换的能量越多,现阶段在地球上种植的农作物为了达到较高的产量,需要强光照,即使人类改造出能在夜里生长的农作物,实际价值并不大。

七、眼睛

科学技术 4

金句:

许晓明向记者介绍,通过卫星对地球表面植物进行遥感观测,主要原理就是测定叶绿素-a,而以叶绿素-f为主的新型光合作用将改变传统观测模式。这一发现意味着,或许应该调整寻找外星生命的方向。在一些阴暗的星球上,或许有一些生命体正以我们不知道的光合作用形式顽强地生存着。

五、有性繁殖

第二看台

介绍生命进化历史上十次最伟大的“发明”:生命、DNA、光合作用、复杂细胞、有性繁殖、运动、视觉、热血、意识、死亡。

核心内容

六、运动

4. 自然选择筛除了几乎所有的怪物,只留下最接近正常的,因此自然选择其实是一股稳定力量。DNA变形扭曲,自然选择又重新拉直。

高级的生命体,都有性别之分,并且通过不同性别的结合繁衍后代。在生命诞生之初,繁衍的方式是无性繁殖,这种繁殖更像是自我复制。某一天,两个细胞融合到一起,它们的染色体分离之后进行了重组,有性繁殖就这样诞生了。

八、体温

3. 虽然DNA复制的保真度惊人,但总会有变化,每一代都和上一代不一样。不光是因为我们的基因被性搅乱了,也是因为我们都带着新突变。

今天,地球上95%的动物都长有眼睛。人类眼睛消耗氧气的能力甚至超过了整个大脑。包括达尔文在内的许多人认为,眼睛是生命设计的巅峰。

二、遗传的双螺旋

关于本书

三、吸收氧气

我们知道,细胞是生命体的最小结构和单位,由细胞膜、细胞质和细胞核组成,其中,细胞核内装满了载有遗传基因的DNA。最早的生命属于单细胞生物。在距今20亿年前的某一天,一个原核细胞钻进另一个原核细胞体内变成了真正的细胞核,真核细胞就在如此偶然的情况下诞生了。

不同的意识是大脑特定区域的属性,当我们用物理手段刺激特定区域时就会产生指向性的意识。当大脑的某一区域出现疾病的时候,我们的意识就会产生相应的病理反应,比如阿尔茨海默病、癫痫。如果对大脑的某一区域用药,则能够很好地缓解精神类疾病。如此看来,意识并非神赐,它是依托于物质而存在的,这个物质就是大脑中的神经元。

四、细胞核

有性繁殖的好处在于杂种优势,后代能从父母那里遗传更好的基因,实际上性就是将基因打乱后重新组合,让更好的基因能够保存并且发扬光大。

《生命的跃升》一书中,莱恩通过列举生命历史上具有开创性的大事件,阐述了这些伟大“发明”是如何造就、改变了生命,进而改变了地球本身。

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