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