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地球生物的进化,也是一个利用的能源升级换代的过程
作者:   来源:环球科学   发布者:左丽媛   日期:2017-06-16   今日/总浏览:2/644

一系列的能源变革造就了我们所处的丰富、多样的生物圈。

身处现代社会,我们能够随时随地享用玉米片和冰淇淋。这使得很多人忽略了一个事实:我们为维持身体运作所消耗的能量相当夸张,并且在地球历史的绝大多数时间内都是不太可能得到满足。

试想将人类丢进 38 亿年前生命起源的原始汤中,他们将无以为食。那时的地球上没有植物、动物,甚至没有氧气,人类只能靠喝池水或海水来祈求能够满足自身每天 1600 卡路里的能量需求。那么,我们如何获得生长在树上和缓步在草丛中的食物,以获取浓缩的能量来源呢?地球又如何最终成为一个能够支持数十亿能耗大、头脑发达、温血且直立行走的人类生存的行星?

在最近发表于 Nature Ecology and Evolution 杂志上题为《演化中的能源扩张》(The Energy Expansion of Evolution)的论文中,Olivia Judson 提出连续能源变革理论,旨在解释地球如何产生多样化的环境,又如何维持从蓝藻到雏菊再到人类等丰富的生命类群。

Judson 将地球生命的历史划分为 5 个能源时代,按顺序分别为地球化学能源、阳光、氧气、肉食与火。这是你在地理或生物教材上都找不到的全新模式,每个时代都解锁了一种新的能量来源,同时伴随着能够利用这一能源并改变整个行星的新物种的产生。在新能源产生的同时,先前的能源也继续存在,这就导致地球上的环境和生命类型不断多样化,Judson 将这一过程称为“生命 - 行星系统的分步式构建(step-wiseconstruction of a life-planet system)”

在 37 亿年前的地球化学能源时代,最初的生物体“取食”水和岩石相互作用产生的氢气和甲烷分子,从化学键中汲取能量。这种途径的效率并不高,当时生物圈的生产力估计比现在低千倍甚至百万倍。

阳光自始至终都照耀着地球,而当地球上终于演化出能够利用阳光的微生物时,生物圈的整体生产力和多样性都得到了提升。一种名为蓝藻的特殊细菌演化出产生氧气(O2)作为副产物的太阳能利用方式,并且产生了极为深远的影响:地球因此获得了能够阻挡紫外线的臭氧(O3)层,由氧化作用形成的新矿物质,以及充满了高反应活性氧气的大气层。

这一过程带来了全新的氧气能源时代。氧气具有极强的化学活性,随时都在寻找机会夺取周边物质的电子。新的耐氧生物演化出保护自身免受氧气影响的酶,同时也产生优势:氧气的极强化学活性使得这些生物的新陈代谢效率更高。在某些情况下,生物在有氧条件下从一个葡萄糖分子中获取的能量比无氧条件下高出 16 倍之多。

更多的能量代表你能拥有更强的活动性,因此在肉食能源时代,活动能力极强的动物逐渐丰富起来,他们利用飞行、游泳、奔跑能力来捕获猎物。“肉食”是浓缩能量的来源,富含脂肪、蛋白质和碳元素。

接着,一种特殊的动物发明了用火,那就是人类。火赋予我们烹饪的能力,让我们有可能从相同的食物中获取更多的营养;帮助我们锻造金属工具从而节省劳力;让我们可以利用哈勃 - 博施法制备化肥,实现粮食的工业化生产;还使我们燃烧化石燃料以获取能量。

以上仅仅是对论文的一个简短总结,我还是强烈推荐大家阅读全文。虽然发表在学术期刊上,但这篇文章仍具有极强的可读性。论文的作者 Judson 是一个职业作家,她曾著有畅销书《性别战争》(Dr.Tatiana's Sex Advice to All Creation),并且在最近担任了 The Atlantic 出版的一本著作的审阅人。

除了文章总体的主题框架,这篇论文充满了引人入胜、发人深思的细节见解。(我个人最喜欢的是作者将病毒描述为“死亡代理”,并指出其在早期微生物的演化中发挥了重要作用。)科罗拉多大学的微生物学家 Noah Fierer 评论说:“无论在哪个领域,任何能引起这种反响的文章都很酷,尤其当我们面对的是一群喜欢随大流的疲惫的科学家时。”他还将这篇论文称为微生物学学生的必读篇目。

这篇论文是 Judson 在近十年来写作的一本著作的浓缩精华。文章读起来像是对众多学科的多年研究的综合,事实上也正是这样。当我向 Judson 询问她的著作时,她在这封邮件回复中描述了她的写作过程:

多年来,我都在白忙,然后写一些片段,不停阅读文献来搜集更多例子,外出观察岩石构造或细菌的菌落,不停提出问题纠缠他人(其中有很多完全陌生的人,他们表现出了极大的慷慨),烦扰我的朋友,然而又是白忙一场。于是我请求指导,继续写更多的片段,直到有一天,我经历了一个美妙的时刻:所有的素材突然在我脑海里重新排列,形成了一个全新的格局。这一刻发生在我在法国一个研究所的演讲之后。那一天的晚些时候,我正和一个朋友聊天,脑海里突然闪现出“能源扩张”这一模式。我明白该如何组织这本书了。

Judson 表示,受这种“找到了!”的感觉鼓舞,她决定把她的想法写成科学论文。同行评议的过程更是将她和其它思考同样问题的人联系到了一起。“能找到另一个志趣相投的人令我们非常惊喜。”英国埃克塞特大学的地球系统科学家 Timothy Lenton 这样告诉我。他为期刊评阅了 Judson 的文章,并且也曾写过针对能源变革的文章。两位科学家从此建立了联系。

美国国家航空航天局埃姆斯研究中心(NASAAmes)的天体生物学家 LynnRothschild 告诉我:“文章唯一讨厌的地方就是,我不曾想到要写这样的文章。” Judson 在文章的最后猜测,宇宙中的其它生命 - 行星系统可能也经历过一系列的能源扩张。如果我们想要寻找地外生命,就不应该只寻找与现在的地球相似的行星,Rothschild 多年来也都保持着这一观点。她说:“当人们谈论要寻找一个类地行星时,他们说‘这个行星必须拥有氧气’,而我总会说‘你们疯了吗?’,如果你面对的是几十亿年前的地球,你根本不会发现氧气。”

因此,地球几十亿年来的演化可能会为我们寻找更简单形式的生命提供蓝图。但一个比地球经历过更多能源扩张的行星会是什么样子?换句话说,地球下一步会变成什么样子?

这一问题的一种提出方式是,什么样的革新会引领我们进入下一个能源时代,并在环境中留下它的印记;另一种方式则是,在下一个能源时代中生命会以什么形式呈现,即哪些生命形式会灭绝,而哪些生命形式将最终成为可能。毕竟,现阶段呼吸氧气、食肉、用火的人类物种是经过了几十亿年时间、经历多次能源扩张才在地球上成为可能的。

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