气体与生命起源

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早就想写个关于气体与生命相互关系的系列文章。今天有空先写个引子吧,如果大家有兴趣我就写下去。
生命的起源在最早期阶段首先要有有机物的形成,目前的研究认为,原始的有机物分子是在气体和可溶性物质在水中形成。而原始大气的气体成分是形成原始有机物的最重要成分和基础。如果简单回顾一下生命进化的历史,我们显然可以看出那些气体对生命是最重要的。
大约30亿年前,地球上大雨停止后,地球进入了一个生命进化阶段。地球原始大气中含有各种气体,例如氨、甲烷、氰化氢、硫化氢、二氧化碳、氢气、水等成分,但还没有游离的氧气,大气中一些气体和地壳表面的一些可溶性物质溶于水中,在宇宙射线、太阳紫外线、闪电、高温等作用下自然合成一系列小分子有机化合物,例如氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等,汇集在原始海洋中,形成霍尔丹所谓的“原始汤”,从而为生命的诞生准备了必要的条件。
氧气是需氧生物最重要的气体,也是生物进化的关键气体。地球上进化出有机大分子后,经过长期的生物化学进化过程,逐渐形成了可以具备能量交换和分裂增殖的原始生命。早期生命的一个特点是不需要有氧代谢,而且无法耐受氧气的毒性。
地球原始大气没有氧气,生命进化早期阶段也是在无氧的环境中。地球大量产生氧气被称为大氧化事件。许多科学家认为,通过光合作用产生氧气的生物突然进化而导致了“大氧化事件”发生。最近美加两国学者研究发现,在“大氧化事件”之前0.5亿至1亿年间,在大气中就已经开始有氧气存在,这也导致了在此之后大气中氧气含量的大幅度增加。能够通过光合作用产生氧气的生物进化过程远早于“大氧化事件”发生;地球大气中氧气的产生是一个渐进的过程,而非突发事件。科学家认为,地球上生命进化过程中出现一种可进行光合作用简单生物,是一种水生细菌,又称作蓝绿藻。
随着地球上氧气浓度的逐渐增加,原来的原始细菌无法耐受氧气的毒性而发生大量死亡甚至消失。但生命进化总是在外界不利环境中发生,此时一个重要的细菌在这样的环境下逐渐产生。这种细菌也许和具有光合作用的细菌同时产生,这种细菌可以把氧气消耗掉而保护自己免受氧气的毒性。随后,一些个体比较大细菌因为吞噬了这些可以消耗氧气的细菌而具备对抗氧气毒性的能力。这种被吞噬的细菌就是后来在多种细胞中广泛存在线粒体。吞噬了线粒体的细胞同时获得一个重要功能,因为线粒体消耗氧气需要利用一些有机分子,同时可以产生ATP,而ATP则被细胞作为能量使用,这是能量代谢进化历史上最重要的事件,是复杂生命进化的重要起点。当然在利用氧气产生能量的同时,也会产生另一个重要生物学气体分子二氧化碳。
总之,在生命进化过程中,气体不仅是生命进化的物质基础,也是生命进化的加速器。氧气和二氧化碳的作用自然不需要多说,现在大量研究证明,这些原始大气的大部分气体分子在后来的高等生命中仍发挥重要作用。

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