大氧化事件，让生命不得不找到新出路

地球上的生命繁衍得很迅速，但跨越基础阶段还是花了很长时间。在34亿年前，地球上就已经存在细胞生命，它们数量众多，甚至留下了需要借助显微镜才能看到的化石。在南非距今有34亿年的岩石上，人们发现了一系列的叠片和条纹，这些很可能是由浅海微生物形成的“垫子”。不过在当时的世界上，除了微生物什么都没有，而在整整20亿年里，地球上也只有单细胞生物。它们的新陈代谢虽然旺盛，却依然不够强大，无法完成任何宏大的事业。生命需要一种全新的新陈代谢引擎，将竞争推向更高的水平。不过，这种新陈代谢机制的诞生是为了应对地球上第一次由有毒废物带来的危机。这种毒物就是在大气中四处散播的氧气，而制造毒气的是远古的排污大户——光合细菌。

光合作用利用阳光将二氧化碳变成糖分，这种最早的光合作用模式在38亿年前就已经出现了，但与今天常见的光合作用模式大相径庭，最根本的一点区别是，那时的光合作用还不能产生氧气。那时的氧气是破坏分子，氧原子可以很轻易地和其他原子结合，进而破坏它们的化学键。氧原子还会偷偷进入碰到的几乎任何物质的体内，破坏它们的化学键，速度之快，堪比明星离婚的速度。Oxygen（氧气）的名称来源于希腊语oxys，意思是“酸液”。由于超强的化学破坏性，氧原子会破坏结构精巧的RNA和DNA分子，甚至会破坏细胞生命中较为稳定的蛋白质。

早在25亿年前，地球上出现了一种叫作蓝藻（Cyanobacteria）的单细胞微生物，它们是最早以阳光为食，然后产生氧气的生物。早期的大气成分以氮气为主，它们向大气中排放了大量氧气。大气中的众多成分都会吸收氧气，土壤也有吸收氧气的能力，从而“减少”了氧气的含量，保护了生命脆弱的立足之地。这种平衡维持了一段时间，不过随着蓝藻数量的成倍增长和氧气产量的猛增，这种平衡终于被破坏了。大约在10亿年前，氧气开始在大气中不断积累（见图1-1），有如我们车库里不断囤积起来的垃圾。

图1-1 数十亿年前大气中氧含量的变化

注：图中曲线显示了数十亿年前地球大气中氧气的最高和最低估值。现在地球大气中的氧含量（PO2）是0.21大气压（atm）。纵轴表示的是大气中的氧含量，横轴上侧表示的是各个阶段，下侧为年份（以100万年记）。

资料来源：Holland, H. D. 2006. The oxygenation of the atmosphere and oceans. Philosophical Transactions of the Royal Society B 361: 903–915.

大氧化事件对早期地球上的绝大多数生命来说是一场灾难，只有少数生物会利用这种无处不在的“毒物”。不过，正如电影《侏罗纪公园》中的主人公伊恩·马尔科姆（Ian Malcom）所言：“生命总能找到出路。”它们的出路就是以氧气为食，用氧气化学键中充足的能量驱动一种马力强大的新型代谢引擎。如果我们将无氧代谢比作马力一般的船用舷外马达，那么以氧气为燃料的代谢则是咆哮的法拉利跑车的发动机。

大部分生物学家认为，“高级”的细胞特性存在于真核生物的细胞中。真核生物诞生于有氧代谢的过渡期，其中包含一种很重要的亚细胞，称为线粒体（Mitochondria），它们能够捕获氧气，利用化学方式释放能量，以供细胞使用。线粒体曾经是自由生活的细菌，具备有氧代谢的能力。后来，线粒体被我们最早的祖先的细胞拉拢过来，让这些细胞也具备了“燃烧”氧气的能力。我们作为一种物种的存在，甚至现在地球上整个生物圈的存在，都是意料之外的结果。早先的生命只是想利用这些大量排放的有毒废物存活而已。