地球轮回于雪球与温室间 生命在"冰与火"中诞生?

出品|网易科学人栏目组

译者|小小

大约7.17亿年前，地球变成了“雪球”。几乎所有海洋表面都结出厚厚的冰，陆地变成了互相连接的“超级大陆”，表面被1600多米厚的冰层覆盖。然后，一切都改变了。火山喷发释放出大量二氧化碳进入大气层，它们吸收太阳的热量并促使全球变暖。最终冰开始融化，海面温度达到48.9摄氏度到60摄氏度。到6.59亿年前，世界已经从“雪球”变成了“温室”。仅仅1400万年后，冰又回来了，地球第二次变成“雪球”。

对于地球上的生命来说，上演这首“冰与火之歌”是非常重要的时期。澳大利亚国立大学的约翰・布劳克斯（Jochen Brocks）解释称，这个过程释放了大量的营养物质，它们永久地改变了海洋，将其从简单地由细菌为主导变成藻类占优势的世界。反过来，藻类又彻底改变了海洋中的食物网，为越来越大、越来越复杂的生命进化铺平了道路，比如第一代动物。如果海藻时代从未到来，可能也不会有如今的我们。

在海藻之前，海洋主要由细菌控制。这些微生物中的蓝藻（cyanobacteria，又称蓝细菌）可以利用阳光支持的光合作用为自己制造食物。在这样做时，它们为地球大气中提供了大量氧气，从而形成了海洋食物网的基础。那是它们的世界。接着，在一个偶然事件中，一个古老而又复杂的细胞吞噬某个蓝藻，并获得其进行光合作用的能力。那个融合细胞随后产生了所有的藻类和植物，从漂浮在海洋中的大量绿色浮游生物，到包裹寿司卷的海藻，再到点缀森林的花朵和树木等。

开始这一切的融合发生在9亿到19亿年前，有些科学家正试图缩小这个时间范围。但布劳克斯有不同的目标：他想知道的不是藻类起源于何时，而是它们何时变得对海洋食物网变得如此重要？它们什么时候从单纯的生存走向真正的繁荣？它们什么时候取代蓝藻作为世界上最顶级的光合作用系统？

为了找出这些问题的答案，布劳克斯转向了石油公司开采石油时取出的沉淀物。这些沉淀物中依然保存着古代细菌和海藻的残骸，这些细菌和藻类死后沉入海底。虽然它们的细胞早已消失，但组成它们的化学物质仍然存在。其他科学家曾经尝试过对这些化学物质进行分析，但他们总是会发现奇怪的结果，因为钻探机中的石油会污染沉积物。这些石油来自侏罗纪，也就是1.45亿到2亿年前，所以它掩盖了早期化学物质的存在。

当布劳克斯意识到这个问题后，他用工业机器磨去沉积物核心表面携带的污染物。他的团队会把剩下的石头磨成粉末，然后放进巨大的“咖啡机”里。它会向粉末中注入溶剂，并提取出内部分子，从而产生一种棕色液体，看起来很像（几乎就是）石油。布劳克斯和他的同事们在那种类似浆糊的物质中寻找2组特殊的化学品：甾烷（在藻类细胞中发现）和藿烷（在细菌细胞中发现）。通过比较这些物质的比例，他们可以计算出这些基团的相对数量随时间推移发生了哪些改变。

研究人员们发现，在第一个“雪球”期间，以及其之前的几千年中，细菌藿烷的比例大大超过藻类甾烷。但在地球解冻的间隔期内，也就是6.45亿到6.59亿年前，甾烷水平飙升了100至1000倍，达到一个峰值，并一直持续到今天。甾烷的多样性也不断增加，从单一的分子进化成“分子大杂烩”。这些结果远比布劳克斯预想的更明显，它们清楚地表明，在1400万年的狭窄窗口期间，藻类迅速崛起，变得更加丰富和多样化。

布劳克斯表示：“藻类崛起的原因和产生的影响依然存在争议，我很期待人们对此进行辩论。”但藻类崛起本身的证据是非常明显的，促使我们从细菌世界向藻类世界转变。”为何会如此？去年读到一份研究，宣称海洋中过去磷酸盐（关键营养成分）水平很低时，布劳克斯感到困惑不解。直到8亿年至6.35亿年前，磷酸盐水平才开始上升，当时恰是藻类崛起之前。布劳克斯称：“我想：哇，这不可能是巧合！”

当磷酸盐水平较低时，细菌比藻类表现得更好，因为它们的细胞要小得多。它们的表面积越大，就能从周围环境中吸收越多的营养。布劳克斯说：“如果营养水平很低，体积小每次都能成为赢家。在一个低磷酸盐的世界里，较大的藻类没有机会。”在地球首次变成“雪球”时，这场比赛的优势开始向藻类倾斜，当时大量冰川变成粉末，将磷释放到海洋中。当地球变暖时，新暴露的地面降雨增加，并向海中输送更多的磷酸盐。它在营养学上堪称矫枉过正，但在这颗行星上此前从未发生过。布莱克斯称，它打破了海洋细菌的束缚。

以下就是布劳克斯认为发生过的事情。 起初，营养过剩会帮助蓝藻占据优势，这种蓝藻可能被显微镜下才能看到的放牧细胞吃掉。这些细胞的数量远超细菌，为此可释放出更多的营养，以供更大的藻类生存，最终促使其蓬勃发展起来。这么多的藻类存在反过来又加速rhizarians这类掠食者的进化，rhizarians被称为单细胞猎手，它们每天会吞噬掉海洋中产生的50%藻类。

全新的食物网出现了，捕食者和猎物之间的军备竞赛也导致了越来越大的生物随之进化。到6.35亿年前，也就是埃迪卡拉纪（Ediacaran period）到来前，厘米大小的生命体开始出现。也正是在那个时期，第一批动物出现了。布劳克斯说：“它们出现的时间是如此接近，磷酸盐首先出现，接着是藻类，随后是动物。藻类提供了食物和能源，使生物体变得越来越大。在只有细菌存在的生态细菌中，我不认为会出现鲨鱼。”

西华盛顿大学专注于研究古今藻类的罗宾・考德纳（Robin Kodner）说：“它代表了一个可行的方案，并将最新数据汇聚起来。但像所有涉及地球生物学研究的历史那样，显得有些过分简单化。”例如，有许多类型的藻类。其中，绿藻（特别是prasinophytes）是任何巨大生态系统中不可或缺的。目前还不清楚布劳克斯认为崛起的藻类是否属于prasinophytes。

另外，许多prasinophytes很小，只比蓝藻稍大。也没有什么特别的原因证明，为何它们的崛起会以布劳克斯假设的方式对食物网大幅重塑。事实上，这样的网络十分复杂。蓝藻和藻类共存，充当不同的角色。吞食某个群体的掠食者通常也会吃掉另一个种群。因此，研究海藻崛起究竟是如何导致动物崛起的，可能还需要更多的工作。考德纳说：“仅从地质学记录获取的数据，我不认为我们可以做得比这做得更好。”

哈佛大学的安德鲁・克诺尔（Andrew Knoll）认为，亿万年前发生的事件肯定很难重现，而且总会引起人们的猜测和辩论。但布劳克斯的研究有很高价值，因为它把一堆不同的观测糅合到统一的框架中，可以用于与未来的发现进行相比。正如布劳克斯所说的那样：“如果有人来对我说，他们有一个更好的解释，我很乐意接受。”