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「万物起源传说」生命的起源(二):从原核生物到脊椎动物

2020-02-17  nj200801

地球生命进化至今大约已经过去了35-38亿年,在这段漫长的时光里,生命有机体发生变化时,地球本身也在变化,并且它们之间不断相互影响,因而形成了生物学和地质学两个不同的分支。

为了简化这段历史,我们将其分为两个阶段:海洋进化阶段和陆地进化阶段,其中,独立的海洋进化阶段长达31亿年左右,几乎占整个生命进化历史86%以上的时间,即便生命登上陆地之后,海洋进化也依然在继续着,这也是我们为什么把海洋称为“生命的摇篮”。

「万物起源传说」生命的起源(二):从原核生物到脊椎动物

在独立的海洋进化阶段,发生了6件值得关注的事情:

1.原核生物的出现

如上节所讲,大约35-38亿年前,出于某种原因,海洋中的一些化学物质开始形成生命。这些最早的原始单细胞微生物包括深海火山排气口的古生菌和其他地方的细菌,它们通过食用自己周围简单的分子来获取食物,通过发酵(一种无氧的新陈代谢形式)获得能量。由于它们的细胞核无核膜包裹,因此被称为原核生物。即使它们是如此的原始、古老和微小,但却依旧牢牢占据着如今地球生物总量的50%以上,是当之无愧的“生命之祖”。

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2.光合作用的出现

大约34-25亿年前,最初的微生物逐渐耗尽它们周围的氨基酸和蛋白质,因此它们必须找到其他方式来获取能量。其中一些微生物进化出了通过阳光获得食物的能力——它们通过阳光利用空气中的二氧化碳(其他微生物通过发酵排放出来的废物)来产生能量,这就是光合作用。

研究发现,叶绿素分子首先出现在被称为蓝绿细菌和蓝藻细菌的原核生物中。在光合作用中,叶绿素分子的原子排列就像一块太阳能板。阳光一旦照射到表面,就会被分子吸收,太阳能促使水中氢原子与氧原子分离,氢原子再加上吸附在上面的太阳能与来自空气中二氧化碳的碳原子结合形成碳水化合物(糖),同时将氧气释放到大气中,糖把来自太阳的化学能储藏起来。

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光合作用或许是历史上最重要的新陈代谢,这意味着进行光合作用的细菌能够像植物那样直接以太阳能为生。光合作用也意味着这些细菌把氧气作为废弃物排放到大气中,从大约30-21亿年前(10亿年左右的漫长积累),大气中的氧气比例因此而发生变化,由大约1%增加到现在的20%-21%。如今,每天大约有3630亿公斤二氧化碳被吸收,制造出约2720亿公斤氧气,几乎50%的光合作用是由单细胞海洋浮游生物完成,它们生活在海洋顶层,大量阳光穿透海水支持它们的生长,而其他所有的需要氧气才能生存的生物(包括人类)都因此而受益。

早期的蓝藻细菌在浅水区肆意蔓延,形成高达半米的一层垫子,被称为叠层(许多化石叠层被发现,成为我们的研究对象),它为细菌提供了广阔的栖息地。这些草垫的表面吸附着精细的沙粒或泥浆,细菌在草垫深处消费死亡的细胞,碳酸晶体由此得以形成,最后堆积成石灰石。这些草垫中的每一个细胞都独自工作,没有证据表明存在更复杂的细胞和细胞间的任何互动。

「万物起源传说」生命的起源(二):从原核生物到脊椎动物

3.呼吸作用以及真核生物的出现

通过开发光合作用,蓝藻细菌度过了一场危机。不过随着时间流逝,又引起另一场危机:它们排放出来的氧气改变了大气和海洋的成分,大量氧气在海中融解,由于最初的细菌无法利用氧气,因此它们当中的许多渐渐消亡。这种转变并不完全是一场大屠杀,今天一些不需要利用氧气的细菌(厌氧细菌)依旧在生态系统中占有一席之地,不过,利用氧气的细胞现在主导着世界。

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大约25-15亿年前的某个时间,出现了一些能够利用氧气的细菌,这被称为呼吸作用,是与光合作用相反的一种过程。发生呼吸作用时,分子吸收和消耗氧气来消化碳水化合物,释放被分子利用过的能量,同时将二氧化碳和水作为废物排放出来。光合作用利用二氧化碳来制造和释放氧气,呼吸作用则消耗氧气排放二氧化碳。就是这样,细菌设计了一套循环系统来保持生物圈的平衡,这称得上是生命进化史上的第三步。

大约同一时期,一定程度上由于正在发展的呼吸作用的结果,一种新的细胞在叠层的草垫中出现。研究发现,这种新细胞与原核细胞大约有30种不同之处,从此后再也没有出现其他的细胞革新,这就是我们所说的真核细胞。真核细胞比原核细胞大10倍到1000倍,它们的DNA包含在一层保护膜之中,保护膜构成一个发育良好的细胞核。真核细胞的大小,足以让细胞质发展出细胞骨架(一种蛋白质纤维网络),这种纤维维持着细胞,允许他移动,也允许他的各种物质在细胞内部运动。此外,这些新细胞还有细胞器(即单独起作用的结构,就像人体的各种器官)。两个最重要的细胞器是线粒体(细胞进行新陈代谢的有氧呼吸场所)和叶绿体(进行光合作用的场所,存在于植物之中)。

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现代对真核细胞的基因组进行的分析表明,它们可能是从古生菌和细菌的共生关系中发展出来的。随后这些真核细胞捕获其他细菌,如线粒体(一种有氧呼吸的细菌),以及叶绿体(限于植物,一种藻青菌)。较大的细胞显然吞食了线粒体和叶绿体,不过并没有消化它们。这种现象有力地证明了一点:进化不仅源自竞争,也出于合作。直到1967年,美国生物学家琳恩-玛古丽斯提出真核细胞的这个特征后,它才被人们理解,生物学家现在基本上都接受她的观点。

4.有性繁殖的出现

到这一阶段为止,包括原核生物和真核生物在内的所有生命形式,在繁殖时首先分裂为两部分,然后每部分克隆出来原来的分子,这两个分子在基因上是相同的(除非发生突变)。

大约10亿年前,藻类、阿米巴变形虫类以及粘液菌等早期真核生物迈出了重要的第四步。这些真核生物发展出了一种新的繁殖方式——有性繁殖:负责繁殖的细胞发生分裂时,不需要成倍增加,它们的子代细胞已经准备好与另一个“亲代”有机体的子代细胞结合起来。研究者认为,有性繁殖最早可能源于在资源匮乏时期真核生物的相互吞食,它们的细胞核有时候会融合,有时则会制造出DNA(各自出一半)。有性繁殖的代价就是:除了成功制造出新的有机体的细胞之外,其他的细胞都会死亡。

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没有人知道到底是哪些优势促进了有性繁殖的不断增长。但毋庸置疑的是,当每个亲代的基因在有性繁殖中重新组合起来时,子代中出现了更多样化的基因组合,而突变是无法独自完成这项工作的。我们都不是父母当中某一位的复制品,我们是父母的混合体。子代更大程度的复杂性,逐渐推动了进化的速度。

当生命进化时,地球上的环境也在发生变化。

如前所述,细菌开发出光合作用之后,更多氧气开始在大气中聚集,太阳的紫外线充分地照射在大地上,这些射线分解了带有两个氧原子的氧分子,自由氧原子在大气上从新结合形成具有三个氧原子的臭氧。这种臭氧在离地面48000米处形成覆盖整个地球的一层薄壳,保护地表和上面的生命免遭来自紫外线辐射的伤害。更多氧气意味着更多臭氧和生命更容易生存,臭氧大约在25亿年前逐渐形成,直到大约5亿年前才成为有效的保护层——臭氧层。

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同时,其他一些重大事件也在地球上发生了。大约25亿年前,碳循环中似乎出现一种目前尚不十分清楚的,不同寻常的失衡现象。20亿年之后,即大约6亿多年前,地球出现了极端严酷的冰河时代,冰雪覆盖了地球大部分海洋和它的大多数大陆架。这些变化导致大量动植物的消亡,也导致此后时期生物形式显著的快速变化。

生命正在改变环境,与此同时,环境也在改变生命。

5.多细胞有机体的出现

大约7-6亿年前,一些真核细胞聚集起来过一种集群或者群居生活。不过,一开始他们依然是独立的细胞,比如,一个粘液菌含有数百万阿米巴变形虫,它们并没有进化成为一个有机体。随着时间的推移,一些集群中的细胞逐渐变得更专门化,把细胞结合在一起的大型分子也发展起来。细胞设法相互交流,也进化出遗传方案来控制细胞分化,这样不同的细胞就能够担当不同角色——最早的多细胞生物出现了。

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在6-5.5亿年前之间,几乎所有细胞有机体的躯体都是柔软的、凝胶状的,它们是最早的生命有机体,大到肉眼足以看到。它们生活在海洋中,以微生物植物为食或者互相吞食,一些依附在海底斜坡上,一些四处漂浮。由于他们躯体柔软,因此这一时期的化石保留下来的很少。被找到的第一块化石是管状蠕虫的砂岩印记,发现于东南澳大利亚阿德莱德北部的埃迪卡拉。现在世界各地所发现的这一时期的化石都被称为埃迪卡拉系。

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大约5.24亿年前,随着地质年代的更替,动物突然发展出了令人惊讶的丰富多彩的结构形式和形态,生物学家称之为寒武纪生命大爆发,这次大爆发涵盖的时段为1500万年到2000万年(寒武是英国西南部威尔士的旧称,其中一些化石是在那里首次被发现的)。现在寒武纪化石被发现在世界各地,如:加拿大、中国云南、格林兰岛北部、亚利桑那大峡谷等化石群。没有人能够对进化速度的急剧变化做出解释。除了观察到这一时期的化石越来越多,因为当时的动物已经形成了能够留下印记的坚硬骨架。有研究者认为,这种现象是对严酷冰河时代之后突然出现的暖期做出的反应。

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在世界上所发现的所有化石中,几乎有一半是三叶虫化石,三叶虫是大约5亿年前广泛分布的一种无脊椎动物群,他们突然毫无预兆地出现在化石记录中,大约2.42亿年前又大规模死亡,该物种75%-90%消失,现代龙虾和马蹄蟹属于他们的后代。

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6.脊椎动物的出现

大约5-4亿年前,脊索动物(包括尾索动物、头索动物和脊椎动物)出现了。人们在伯吉斯页岩化石中发现了皮卡虫,它是最早为人所知的脊索动物门成员,人类和其他脊椎动物也属于这个群。皮卡虫是类似于蠕虫,可以游泳的生物,由软骨组织构成的一条坚实脊索贯穿全身。它很可能是所有鱼类,两栖动物,爬行动物,鸟类,哺乳动物以及我们人类的祖先。

「万物起源传说」生命的起源(二):从原核生物到脊椎动物

最早的脊椎动物是从有脊柱无骨头的生物(比如皮卡虫)进化而来。脊椎动物,或者脊柱由骨头构成的动物,会逐渐进化出主要的背脊骨、颌、正面和背部以及保护神经系统的头部。早期的无颌鱼大约30cm长,它吸吮海水及其包含的任何物质。到4亿年前,一种类似鲨鱼的生物进化出来了,他们的颌比现在任何海洋生物的都更强劲有力。脊椎动物还进化出了类似的眼睛结构。分子生物学家现在认为,所有有眼生物都是某种海参蠕虫的后代,这种蠕虫生活在5亿年前,它们为最初的色素进化出了一种基因,不过眼球晶体和眼睛的其他成分似乎是在许多不世系中分别进化而来的,这是趋同进化的一个宏大例子。

「万物起源传说」生命的起源(二):从原核生物到脊椎动物

直到大约4.75亿年前,所有生物都还居住在海洋中,生命的化学性质是在水中发展起来的,陆地对生命来说是危险的,但进化的脚步并不会停止于此,这一点我们都知道。【本节完】

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