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光合作用:一次意外吞噬,改变了整个地球

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上世纪六十年代,一个反常发现撞进了年轻的马古利斯眼前:叶绿体里,居然藏着自己的DNA。

它不像一个细胞中的普通“零件”,反而像一个被塞进细胞里的独立生命。再加上叶绿体能自行分裂、拥有自己的核糖体等证据,马古利斯开始重新拼起一个沉寂多年的大胆猜想:叶绿体的祖先,可能原本就是一只自由生活的细菌。

顺着这条线索追问:这群被囚禁在叶片深处的叶绿体,在失去自由之前,究竟干过什么?


▷琳·马古利斯(Lynn Margulis) 提出,真核细胞(组成动物、植物和真菌的复杂细胞)中的关键细胞器——线粒体和叶绿体,最初并不是由细胞自身演化而来的,而是起源于被原始真核细胞吞噬的自由生活细菌。该理论在1967年首次发表时曾遭到主流学术界的强烈反对和嘲讽,但随着后来DNA测序技术的发展(发现线粒体和叶绿体拥有自己独立的DNA,且结构极像细菌),她的学说最终被完全证实,如今已成为现代生物学的核心共识之一。随后,他和洛夫洛克一起提出盖亚假说,认为地球(生命与非生命环境的总和)是一个自我调节的复杂系统,就像一个巨大的活生命体。马古利斯指出,正是地球上无数的微生物通过代谢活动,主动调节着大气的成分、海洋的盐度和地表的温度,从而维持了适合生命持续生存的动态平衡。


最初的变局

这要追溯到二十多亿年前。当时的地球大气没有任何游离氧气,主宰世界的是厌氧生物。直到一种微小的单细胞原核生物登场——蓝细菌。


▷丝状蓝细菌显微照片。

它们掌握了一项前所未有的能力,利用阳光进行光合作用,合成有机物,并将剩下的副产物随意排入环境中。这个副产物,就是氧气。

无限的资源,让蓝细菌在海洋中疯狂繁殖,亿万年间喷吐出无法计数的氧气。氧气把海洋中的二价铁全部氧化,海洋被“锈”成了红色,沉淀成了今天遍布全球的条带状铁矿。

接着多余的氧气涌入大气,重创了毫无防备的厌氧生物,甚至迅速破坏了大气中的温室气体甲烷,导致全球气温暴跌,陷入长达数亿年的“休伦冰期”,整颗星球几乎被彻底冻死。

劫后余生,残存下来的生命必须学会如何面对氧气。就在这个时期,一次改变地球命运的偶然发生了:一个已经演化出吞噬能力的原始真核细胞,在游弋中吞下了一只蓝细菌。

按照常理,被吞下的猎物很快就会被消化液彻底分解。但这一次,猎物没被消化,双方似乎达成了一种不可思议的共生契约。

宿主细胞充当坚固的避风港,源源不断地为蓝细菌提供矿质原料;蓝细菌则在细胞内部持续运转,向宿主供给糖分。

漫长的演化中,被吞噬的蓝细菌逐渐失去了独立生存的能力,成为细胞的一部分,而这场远古的吞噬,也给它留下标志性的双层膜结构:外膜,正是当年宿主吞噬时包裹它的囊泡;而内膜,则是蓝细菌原装的细胞膜。

曾经颠覆整个地球大气的开拓者,就这样逐渐演化成了今天植物细胞里的叶绿体。


▷叶绿体(左)和蓝细菌(右)的对比图。


氧气到底来自何处?

这群古老俘虏究竟是如何运转的?很长一段时间里,科学界凭直觉认为:植物在光下拆开二氧化碳,把碳留下来合成糖,同时把氧气释放出来。

这个看似完美的直觉,统治了科学界一百多年。直到20世纪30年代,一位名叫范·尼尔的微生物学家,察觉到了破绽。

他在研究一种古老的“紫硫细菌”时,发现了一个奇特的现象:这类细菌同样能进行光合作用,但消耗的原料不是水,而是硫化氢。反应结束后,细菌合成了糖类但排出的不是氧气,而是一粒粒黄色的单质硫。


范·尼尔意识到:两套光合作用都使用二氧化碳,可产物为什么不同?

答案显而易见,真正变化的,是另一种原料。紫硫细菌用的是硫化氢,于是留下了单质硫;植物用的是水,那么释放的氧气,也必然全部来自水。

当我们把植物叶片放大,走进叶绿体的内部,这台微观引擎的运作流程清晰而纯粹。

它主要由两道紧密衔接的工序组成:第一步是类囊体薄膜上的光反应阶段。

叶绿体内部叠着一层层薄薄的膜,叫作类囊体薄膜。当阳光照在这层膜上时,上面的色素就会立刻捕获光能,同时完成两件事:分解水分子制造氧气,生成还原氢,并且制造出能量货币ATP。

接着还原氢和ATP会前往叶绿体基质,开启第二步,暗反应。

这里不需要光照直接参与,在各种酶的协助下,细胞先将吸进来的二氧化碳(CO2)捕获固定;接着,利用光反应攒下的 还原氢和 ATP 提供能量与原料,将碳元素一步步还原、拼装成实实在在的糖。

原本飘散在空中的气体与抓不住的阳光,就此彻底化作了滋养生命的有机物。




远古漏洞

这套流水线看起来严丝合缝对吧?别夸太早。这套运转了亿万年的系统里,潜伏着一个著名的演化缺陷。

在暗反应里,负责抓取二氧化碳的关键酶叫作加氧酶。它是地球上数量最多、最重要蛋白质。但,坏就坏在,它是个重度脸盲。无法完全区分结构相近的 二氧化碳与氧气。

只要周围的氧气一多,加氧酶就会手滑,错把氧气抓过来塞进生产线,引发光呼吸。这不仅不产生任何糖分,还会倒扣原料,白白消耗植物 20% 到 40% 的能量。

为什么几十亿年过去了,植物都不把这个祖传漏洞给修了?

原因很无奈:谁让它诞生在二十多亿年前呢?在它最初上岗的远古时代,大自然里连一分子游离氧气都没有,它的底层逻辑里压根就没写“防范氧气”这行代码。

后来大氧化虽然让氧气充斥了整个星球,但生物演化向来是只要代码还能跑,就绝不轻易推倒重构。既然核心改不动,植物们也只能带着这个 Bug 一路凑合用到了今天。


尾声

阳光穿透树叶,落在一呼一吸之间。你吸入的每一分子氧气,都携带着二十多亿年前海洋的印记;而你呼出的每一口二氧化碳,又重新化作了树木抽枝展叶的养分。

曾经险些毁灭一切的剧毒,在吞噬与共生的机缘下,最终演化成了托起整座行星繁盛的生机之源。

演化从不追求绝对的完美,常常充满破绽与意外,但生命总能在废墟与危局中找到共存的缝隙。


[1]COURNOYER J, ALTMAN S D, GAO Y le, et al. Engineering artificial photosynthetic life-forms through endosymbiosis[J]. Nature Communications, 2022, 13(1).

[2]Sato, N. (2019). Endosymbiotic Theories of Organelles Revisited. Springer Singapore.

[3]DE B C, COURNOYER J, GAO Y le, et al. Photosynthetic directed endosymbiosis to investigate the role of bioenergetics in chloroplast function and evolution[J]. Nature Communications, 2024, 15(1).

[4]STADNICHUK I N, KUSNETSOV V V. Endosymbiotic Origin of Chloroplasts in Plant Cells’ Evolution[J]. Russian Journal of Plant Physiology, 2021, 68(1): 1-16.

[5]SEGURA BRONCANO L, PUKACZ K R, REICHEL-DELAND V, et al. Photorespiration is the solution, not the problem[J]. Journal of Plant Physiology, 2023, 282: 153928.

制片人:雒芊芊 | 制片助理:Catherine Chen

总导演:郑明键 | 分集编导:骆沁真

文案:祝文意 | 剪辑制作:骆沁真 陈薇

声音制作:林得力 林键谞

出品:天桥脑科学研究院大圆镜工作室

本文摘录自“大圆镜科普”生物教材系列





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