2015年1月6日 星期二

藍綠菌(cyanobacteria)與地球

藍綠菌對地球上的生命有很大的影響。三十億年前,地球的大氣是幾乎不含氧氣的;直到藍綠菌出現,由於藍綠菌進行光合作用產生氧氣,最後使得地球上的大氣開始有氧。氧氣在大氣中的含量歷經幾次變動,最後終於維持目前的20%的濃度。

不過,從藍綠菌出現在地球,直到藍綠菌釋放的氧氣,對地球產生了決定的的影響(即所謂的「大氧化事件」Great Oxygenation Event),這段路程走了六億年。為什麼這麼久呢?

氧氣在地球上的濃度變化。下方橫軸是十億年,縱軸是
大氣中的氧氣濃度。圖片來源:wiki


過去科學家們認為,因為地球上有很多鐵(以質量來算,鐵是地球上含量最多的元素),在沒有氧氣的地球上,這些鐵是以元素態的形式存在;一旦氧氣開始出現,海中的鐵元素以及其他容易被氧化的有機物首先吸收了氧氣(如上圖的上方所顯示的第二階段)。等到海中的鐵元素與其他有機物被氧氣消耗殆盡後,氧氣開始釋放到大氣中,被陸地上的化合物吸收(第三階段)。等到陸地上的化合物也已經被氧氣消耗完了,大氣中的氧氣濃度便進入第二個階段的提升了。

看起來很有道理,不過筆者一直覺得,藍綠菌有需要花這麼多年(六億)的時間,才能讓地球上的鐵以及其他的有機物被氧化殆盡嗎?

最近圖賓根大學(Universitaet Tübingen)的研究團隊發現,為何藍綠菌花了這麼多時間的原因。

研究團隊在尋找如何使藍綠菌生長減緩時,發現高濃度的二價鐵(Fe2+)遇到氧氣時,會產生自由基(reactive oxygen)。自由基傷害了藍綠菌,使得藍綠菌進行光合作用的速度變慢,生長也減緩了。

而這些二價鐵又是從何而來呢?研究團隊認為,這些二價鐵是由海底火山從地函噴發出來的。在太古宙(Archaean)的沈積記錄中,有數次的海底火山爆發,而每次的海底火山爆發,伴隨著發生的就是元素態氧的消失。因此,研究團隊認為,高濃度的二價鐵遇到元素態氧時,會產生自由基,而這個自由基使得藍綠菌的生長減緩。

筆者看到這個研究結果就想到:原來這就是藍綠菌為什麼要花那麼久的時間,才能造成「大氧化事件」啊!大氧化事件使得當時地球上的許多厭氧生物都滅絕了,由於這些厭氧生物都是微生物,要留下化石記錄也非常困難,因此我們無法得知到底有多少微生物因此而滅絕了。不過,可以想見在二十四億年前消失的微生物一定非常多的;因此,筆者常跟學生說,或許真正的第一次大滅絕,並不是發生在奧陶紀-志留紀(約四億五千萬到四億四千萬年前),而是更早的成鐵紀(Siderian),也就是由眼睛看不到的生物--藍綠菌--所造成的大氧化事件呢!

第一次生物大滅絕的禍首是它--藍綠菌?
圖片來源:wiki

參考文獻:

Elizabeth D. Swanner, Aleksandra M. Mloszewska, Olaf A. Cirpka, Ronny Schoenberg, Kurt O. Konhauser & Andreas Kappler. 2015. Modulation of oxygen production in Archaean oceans by episodes of Fe(II) toxicity. Nature Geoscience. doi:10.1038/ngeo2327

沒有留言:

張貼留言