如果说故事直接从露卡诞生讲到真核细胞的诞生,我想你应该会提醒我,为什么不说一下叶绿体的诞生,因为蓝细菌可能导致的休伦大冰期正处于两者之间。不错,如果不提这段往事,确实显得略有仓促。因为蓝细菌的产氧光合作用是生物演化史上最光辉的一笔,它创造了如今多姿多彩的世界(有氧呼吸生物的世界),我们如今现代的生命必须感激它。但是如果站在25亿年前地球细菌的角度,它确是演化史上最毒的“屠夫”,事情到底是怎么样的呢?
这些尘封已久的往事需要从35亿年前说起,当露卡的某些后代第一次游向海面看向苍穹时,宇宙深处的光可能让它激动的泪流满面,当它思考生存的问题时,其实一切都已经冥冥注定。注意!我们的故事现在要开始了:其实从露卡开始诞生的时候,地球已经安分了不少,我指的是相对于5亿年前,不过大量的甲烷、硫化氢以及氢气充满大气,整个地球处于一种大还原状态,以产甲烷菌为首的厌氧细菌生活的兴兴向荣。它们在海底争斗食物、谋杀流血,只是为了让自己的后代能够永远存活下去,这没有错。不过问题就在于按照细菌的繁殖速度,种群之间的更替可能是非常频繁的(速度可能比想象的快的多),之后,电子的争夺战会愈演愈烈,碳流汇入的强大压力迫使有的细菌不得不走出海底,游向更加遥远的地方寻找机遇,有的去了海面,有的去了哪一个不知名的热液口,有的终生游荡于广袤的海洋之中。
不过谁能想到,那一小撮到了海面的细菌,创造了无比辉煌的演化史。由于太空紫外线氧化水和其他化学物质的缘故,海面短暂性的充斥着氧气、无机氧化物以及小分子有机物,如果可以的话,可以将它形象的比喻为一层淡淡的氧膜,这是那些严格厌氧细菌的禁区,踏入即死。不过这氧膜不会持续太久,氧气由于温室效应的缘故,在水中溶解度减小,溢出海面被甲烷和岩石中的二价铁还原,海面的无机氧化物也在不久被氢气还原。所以臭氧层无法形成,而水分子却一点一点化为氧气和氢气流向宇宙。那么地球会在几十亿年间流干水分变成火星那样吗?我想答案可能是会的,但是这一撮细菌却拯救了地球,拯救了生命的延续,但是它们可能不知道他们自己干了什么。找饭的途中拯救了地球,多么让人吃惊。
对于游到海面的这批“外来入侵者”细菌来说,它们在游向海面的途中,生物代谢途径已经发生了很多改变,属于兼性厌氧,无论有氧没氧,只要有供电子体和受电子体以及碳源即可。这里供电子体的燃料倒是丰富,有二价铁、小分子有机物、硫化氢以及氢气等,它们仍然可以像海底的祖先那样繁衍生息。不过在这一小撮细菌群落中,有的细菌族群出海时偷偷带了一个豪华装备。这个装备就是色素分子,它有什么用呢?我告诉你,它会让细菌使用光,使用光能合成ATP。也许听到这你会惊讶,不过到如今,这件事已经司空见惯了。光是色素分子还不能使用光能,还需要一些蛋白质和其他化学分子,所以我们就把这些东西统称为光系统吧。这一小撮细菌将这些装备放在内褶的细胞膜上(载色体)。
和与畏首畏尾藏在海底的老家伙比起来,它们甚至不需要燃料,这就是最神奇的地方,这个光系统中的色素分子被宇宙而来的光子打出一颗高能电子,而这颗电子会沿着提前规划好的电子链逐级传递,在电子传递的过程中,产生膜内外的质子梯度,从而为细胞提供ATP,并且整个光系统可不是什么善茬,它会让色素分子将电子链末端的低能电子在抢回来,并且重新再次利用光能激发,如此往复循环可就不在需要任何的燃料了。天哪,它多么聪明,想出这样的策略,如此一来的话,持有这个光系统的细菌可能立刻脱颖而出,不在参与世间的纷争了。但是对于生命,我们千万马虎不得,细菌更是如此,我们得考虑一些突发情况,万一电子链末端得电子没有被色素分子重新使用呢?其实很好解决,环境中得供电子体多的是,可以随时补充。但幸好的是,细菌将这个光系统不断的装饰,让它几乎没有意外的将电子链末端的电子抢回来,为了万无一失,这个光系统进化出强大的夺电子能力,时时刻刻像饿狼般。这样做的好处是,即便电子丢了,也可以快速从外界获取电子,哪怕是周围高度氧化的物质,它依旧可以夺过来。
这样做很完美吗?其实我想当初的这些家伙意识到了一些问题,不过问题还不是很严重,如此强大的夺电子光系统,不需要最终的受电子体,也就是说没有还原二氧化碳的能力,不能合成细胞需要的有机物。所以细菌可能还得想办法获取有机物,走上祖先开始的道路。那这个光系统到底有什么出色的地方呢?其实已经说了,可以产生额外的ATP,所以,它等于细菌自带buff,在食物匮乏之时,产生细菌需要的能量,让它比起其他细菌更具有获得碳源的机会和时间,我想这就是生存耐力的增加吧。不过,必须的考虑这样一部分场景,如果这些细菌真遇到食物匮乏(发生概率极大),启用这个光系统会发生什么致命的问题呢?其实上面丢失电子的可能性考虑过了,那么电子阻塞呢?这可是摧毁整个光系统装备的致命缺陷,且无法挽回!想象我上文说的紫外线氧化水分子,海面上的氧膜之中,由水分子贡献的电子可是没有地方去,外界充斥大量多余的电子,并且一些低价的金属也会被紫外线氧化。所以这套光系统具有强大的电子剥夺功能,却忘记怎么排除外来多余的电子。这样的情况和线粒体之中的一样严重,线粒体电子链一旦阻塞,那么真核细胞极大概率会死亡,而对于细菌来说,确实必死无疑。假设某天阳光强烈,食物匮乏,这些细菌启用光系统时必将遇到大量高能电子无处可去的情况,此刻如果不及时处理,那么会产生大量自由基毁灭生命体。
所以这样的光系统需要一些辅助蛋白和辅助色素分子来缓解这些压力,当多余的能量产生时,这些蛋白和辅助色素会接受多余强烈的光能量并通过剧烈震动以热能的方式处理掉能量。这样的话,这些细菌缓解了高能电子的轰击。