要大家列举生命所依赖的条件，也许很快就有人想到阳光、水份和氧气。如果再问碳（生物能直接利用的成分就是CO₂）和钙对生命重要吗？大家肯定会异口同声地回答，太重要了，如果缺乏这两个元素，谁来构造生命骨架和支撑生命。然而，就是这些我们目前认为对生命极其重要，不可或缺的物质和条件（水除外），在地球生命形成和进化之初，却对生命是有致命伤害的。有趣的是，生命进化的力量却采用自己独特的对策将这些不利条件进行转化，其逻辑居然是：你有害，我就把你吃掉。

氧气与阳光

蓝细菌在地球上已存在约30亿年，是目前（截至2012年）以来发现到的最早的光合放氧生物，对地球表面从无氧的大气环境变为有氧环境起了巨大的作用。但是地球历史的前半段时间是缺氧的，一直持续约24亿年前的大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE）这种状况才得到彻底的改变。既然蓝细菌出现在GOE之前，那么为什么花了数亿年时间才开始向大气中排出它们制造的氧气？有一种解释说，早期来自蓝细菌的氧气可能被当时占优势的甲烷所消灭。这两种气体在一起会发生化学反应产生二氧化碳和水，氧气不能在富含甲烷的环境中积累，而甲烷来自一种称为产甲烷菌的古细菌。在这个情形中，产甲烷菌和蓝细菌共享古海洋，但产甲烷菌还是占了上风，它们在海湾持续排放甲烷，也增加了地球的温室效应而温暖地球。但后来在GOE时代，这些生物开始衰退，所产生的甲烷被耗尽，大气层开始充满蓝细菌制造的氧气。目前获得的证据也证明了GOE前期产烷生物开始发生衰退的假设：产甲烷菌是高度依靠镍的，这种金属元素是甲烷生产过程中一个代谢酶的中心，27亿年前海洋中镍的水平已显著下降，镍缺乏对产甲烷菌产生的饥荒使得在GOE前期对蓝细菌更有利^[1]。

起源于地球形成早期的生命分子，当时所处的环境是高温、高压、高密度，无光、无氧、无水的自然条件，现代生命所依靠的几个重要因素，例如阳光和氧气在那是并不存在。因此，类似于产甲烷菌这样的厌氧菌在地球上大行其道，是可想而知的。水在逐渐丰沛后，所形成的气候系统将地球厚浊的原始大气逐渐变得清新起来。这样，原来不能射入地球表面的阳光，现在可以穿透大气层直达地球表面。光的能量对这些的简单生命是有致死作用的。于是，生命就进化出光合作用来吸收、转化光能，以保证生命体不被光能所杀死，也许这就是光合作用起源的最初动力，居然是源于对生命的一种自我保护作用。但这一作用产生了两个副产品，一个是碳水化合物，一个是氧气，这又为后来生物氧化供能机制的形成打下了基础。

充满氧气的地球大气层，对当时的生命来说是一场灾难，因为生命最初也是厌氧的，氧强烈的氧化作用对尚无完善的膜保护系统的生命是一种致死威胁。在数次生物大灭绝事件中，氧含量上升毁灭的物种比例很可能高居魁首。在产甲烷菌占上风的时代，这些原始的厌氧生命得到了呵护。但大氧化事件之后，生命的保护，需要选择新的方式。好在生命进化出了三羧循环，通过氧化供能机制吃掉氧，把氧和碳水化合物变成二氧化碳和水。这个氧化供能机制当初实际上是无抗氧能力的单细胞生物抵抗氧化破坏作用的机制。有了这个机制，单细胞生物才得以在有氧的环境下继续生存而不再死亡。也正是在这个基础上单细胞生物才有更多的能量去选择更好的生命形式，进而可能发展进化成高等生物。由单细胞生物发展到多细胞生物共用去了30亿年的时间，其中由不耐受氧的单细胞进化到有抗氧能力的单细胞生物共用去20亿年。所以，如果抗氧机制，即三羧循环产生的机率下降减少50%的话，那么至今地球上是否还处于单细胞生物时代？^[2]

当然，也有一些假说认为，大氧化事件之前所进行的光合作用是非产氧的。其证据是目前就能找到许多细菌不产生氧气，也可把光能和二氧化碳转化为食物。产生氧气的光合作用出现在大约24亿年前，可能比不产氧的光合作用晚了10亿年^{[3, 4]}。

钙质与二氧化碳

寒武纪之前，由于生物没有骨骼，化石难于形成和保存。在生物进化史中，第一种动物起源于7.5亿年前，而直到5.2亿年前脊椎动物诞生，生物化石才保存下来。而在动物脊椎诞生之前的前寒武纪，海洋中已生活着许多动物类群最早的成员（包括海绵、刺胞动物和两侧对称动物）。在海洋庇护下的生物逐渐积累了丰富的遗传资源和变异能力，完全拥有了进化出外骨骼的潜力。由于寒武纪海平面上升，淹没了很多陆地，促使大量陆地成为浅水区域，在阳光的照射下，海水侵蚀岩石，溶解养分，大量养分和钙质融入水中。然而，此时的动物并不能利用钙，因此钙也是一种毒素。为了“解毒”，海洋生物必须进化出新策略，他们只好将钙吃掉，积累起来“排出”在自己体外，形成外骨骼。同时，它们也渐渐学会了利用钙质构造更强大的支撑系统，例如进化成脊椎，使得动物的运动速度更快，攻击和防御能力也得到了提高，在这种看似矛盾的军备竞赛中，导致了寒武纪生物多样性的“大爆发”^[5-7]。

生命能在早期地球上诞生，并不是说地球早期的环境有多么好，地球自己也不会自动地把她变成天堂。实际情况是，地球的美丽要靠生命进行拓荒。早期地球的二氧化碳比如今多20万倍，这会导致严重的温室效应，对生命有极大的危害。聪明的生命将二氧化碳，蘸着钙质吃掉了，把地球从地狱般的情形改造成蓝天白云，二氧化碳变成了它们的尸骨，今天就混合在这些碳酸钙组成的山体当中，被它们自己制造的湿润的气候切割成喀斯特地貌。实际上，动物的骨骼，里面融入的碳酸钙，都是固化的二氧化碳，它们也是另一种形式的喀斯特风景。地球可以说是一个非常出色的处理二氧化碳的生态工厂^[8]。

参考资料
[1] How Earth Got its Oxygen.

[2] 氧自由基发生的自然历史及与生命体的关系

[3] Dawn of the water eaters: How Earth got its oxygen

[4] 24亿年前，毒害地球生命的氧气，来自何方？

[5] Formation of the ‘Great Unconformity’ as a trigger for the Cambrian explosion. Nature 484, 363–366 (19 April 2012) doi:10.1038/nature10969

[6] 达尔文之惑：寒武纪生命大爆发

[7] 请安息吧，查尔斯●达尔文

[8] 科教片《宇宙与人》的解说词

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