奇点天文 dprenvip.com 年轻人的好奇心启蒙网站
之前我们有一篇文章介绍如果穿越到35亿年前的地球，却发现当时正处于太古宙的地球上没有氧气，所以人类无法呼吸，那么后来地球大气层是怎么变成现在这样富含氧气的呢？这不得不说一个大功臣——蓝藻了。
35亿年前的地球没有臭氧层，那还有生命存在吗？
当时地球上的海水量是现在的两倍，但是水分子一个个消失了，因为大气中没有氧气，也就没有臭氧层。
在没有臭氧层保护的情况下，来自太阳的强烈紫外线能毫不受阻拦地轰炸水分子，让水分子分解成氢和氧。比较轻的氢原子很快地逸散到太空中，氧原子则马上和水中的矿物质结合。在没有臭氧层的状况下，地球会朝着毫无生机的方向演化。金星的命运便是如此，曾经有水的金星，现在干燥无比。
不过这时候的地球有海洋，海洋中已经诞生了一些单细胞细菌，以及类似细菌的单细胞生物—古菌。这些微生物和其他所有生物一样，都需要能量才能运作，以及制造更多细胞的组成成分，以便分裂复制。
它们的细胞壁坚硬，因此不可能经由掠食其他同类来得到能量。不过它们可以把细胞壁外的硫化氢吸收到细胞内，经由化学反应让硫化氢的电子释放出来，再利用这些电子合成暂时储存能量的分子ATP（三磷酸腺苷）。细胞利用ATP和溶解在水中的二氧化碳合成有机化合物，包括生长和生殖所需要的胺基酸、蛋白质、脂质和糖类。
现在地球上依然有许多这类化学自养生物，它们生活在海底热泉，或是黄石国家公园充满硫的热泉等这些极端的环境中。但是差不多在你拜访古代地球的时候（或是前后一两亿年），一种新的细菌在太阳下演化出来了。
这种细菌漂浮在海面下附近，因为含有叶绿素和其他色素而呈现蓝绿色，所以它们被命名为蓝藻，也被叫做蓝绿菌。这些色素能吸收含有太阳能量的光子。蓝藻用这些能量把水分解成氢和氧，产生电子，制造三磷酸腺苷。然后它们就和化学自养生物一样，利用ATP合成有机化合物，这个过程称为光合作用。蓝藻把氧气当成废弃物排出，因此这过程称为产氧型光合作用。这是非常复杂的过程，就连今日的科学家依然还没有解开这个机制的细节。
蓝藻具备的功能让它们繁荣昌盛。古菌和其他细菌只是到处飘荡，企盼能遇到它们各自喜爱的化学食物，但是这种新出现的生物并不是分解水中偶然才能遇到的成分，而是分解无所不在的水分子。蓝藻只要在有阳光的状况下就能进食，因此繁殖的速度非常快，而且持续产出氧气。（在20亿年时间中）这些氧气飘到大气中，形成具有保护作用的臭氧层，让我们的蓝色行星免于笼罩于沉沉死气之中。
蓝藻和闪电竟然也有共通之处
如果这还不够厉害，有些蓝藻种类还有比舞动它们的蓝绿色身段更厉害的技术。
地球上的生物需要氮，DNA、ATP、蛋白质和其他生物所必须的化合物中都含有氮原子。地球大气中一直有很多氮气，但是氮气中的氮原子彼此结合得很紧密，生物无法直接运用。而闪电的电压高达一亿伏特，这等或是更高的能量能够打破氮气分子，让个别的氮原子和氢或氧结合，形成氨、铵盐或硝酸盐等把氮固定起来的分子。
但是棘手的地方在于闪电虽然壮观，却无法大量产生这类分子。如果生命只能依靠闪电，就永远无法登上陆地。正当此时，蓝藻登场了。它们能做到和闪电一模一样的事，只不过是在微生物的尺度下。
蓝藻成为地球上主要的固氮生物。幸好蓝藻乐于分享，它所固定下来的氮有一半会排入水中，可以被细菌和古菌吸收。如果没有具备固氮能力的蓝藻，海洋中的生物形式将会非常简单，而且数量也不多，只因固定下来的氮不足。
有创意的蓝藻，让自己在固氮时，不被氧气击倒
不论在过去或现代，蓝藻固氮都相当不容易。首先它们要能够制造固氮酶，这种酵素含有铁和钼，能催化固氮反应。除此之外，它们还要防范一个由自己制造的问题：氧气。
这个问题是这样的：氧原子的最外层有六个电子，因此它还要再抓住两个电子，才能让最外层有八个电子，形成稳定的状态。早期的海水溶满了铁，而铁原子在最外层有两个电子，所以你可以想见会发生什么事──蓝藻抛弃的氧很快就会抓住铁，如此一来，蓝藻就没有能用来制造固氮酶的铁原子了。
蓝藻得要有创意才行。有些蓝藻在固氮的时候停止光合作用（这样就不会释放氧气了），有些蓝藻只在晚上不进行光合作用时行固氮作用（但如果没有阳光照射就会发生混乱）。有些则和同种的其他个体合作，细胞彼此连接成细微的丝状结构，就像是一串珠链。约有十分之一的珠子会停止光合作用，并且让细胞壁变得更厚，以阻挡氧气进入。这些特殊的细胞称为异型细胞，专门固氮，会把含氮分子分享给左右细胞，换来糖类以维持生存。现在能固氮的蓝藻依然采用这些方法。
蓝藻要让自己繁荣昌盛，真的不容易！
蓝藻要散播到全世界，不只必须解决固氮的问题。它们还面临两难的困境：它们需要靠近海洋表面，但是又要避免紫外线破坏DNA。
为此它们演化出一层细胞外的多糖类（由糖分子连接而的长链），称为黏质，它可能是世界上最早的防晒成分，也是它让蓝藻具有那典型的黏滑表面。最后，所有的蓝藻都因为有黏质而变得黏黏滑滑。
总加起来，蓝藻确实具有各种让它自己繁荣昌盛的能力。大部分的蓝藻每七到十二小时可以复制一次，换算下来，一平方米的蓝藻可以在两天之内覆满一间小办公室的地板。有些种类的蓝藻每两个小时便复制一次，于是同样的大小在两天之内就可以盖满六座足球场。
不论是哪一种，最早的蓝藻在数亿年中复制的幅度，远远超过我们的想像。这段其间，它们也演化出许多不同大小和形状的种类：球状、卵状、杆状、螺旋状或丝状（数量最多的是圆形原绿球藻，它们在1986 年才被发现，也是最小的蓝藻，一茶匙的海水有四十万个原绿球藻）。
蓝藻如果漂浮在水面上，并且经由黏质黏在一起，就会形成绿色的团块。这些团块会吸收当时在水中漂荡的各种成分，包括碳酸钙和碳酸镁之类的矿物质，以及其他死亡的微生物而变得愈来愈稠密。自始至终，这些活生生的蓝藻能够藉由黏质滑动，往有阳光的海面移动，并持续增殖。
PS：最早进行光合作用的生物并不会造氧气，它们以紫色的色素吸收近红外线，从含硫化合物中取得电子，把细小的纯硫颗粒当成废弃物排出。它们没有如同近亲蓝藻那般昌盛，但是依然能够在现在无氧的水中续存。
奇点天文 dprenvip.com 年轻人的好奇心启蒙网站本文由奇点天文作者上传并发布，奇点天文仅提供文章投稿展示，文章仅代表作者个人观点，不代表奇点天文立场。
