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大氧化事件和线粒体的产生 精选

已有 16412 次阅读 2014-6-23 07:17 |个人分类:自由基简史|系统分类:科普集锦

大氧化事件

现在你已经知道了氧气的毒性,其实氧气的毒性恰好是生命早期进化的最重要动力,我们先了解一下地球历史上的一个和生命进化关系密切的大氧化事件吧。

大氧化事件,是指约26亿年前,大气中的游离氧气含量突然增加的事件。这一事件的具体原因尚不得知,目前只有若干种假说能加以解释。有说法认为,是由于海藻类植物进行光合作用,使得地球上的氧气迅速增加,而消耗氧气的甲烷细菌所依赖镍水平急剧下降,使得大气中的含氧量持续大量增加,所以称为“大气氧化事件”。大氧化事件使得地球上矿物的成分发生了变化,也使得日后动物的出现成为了可能。

氧气不仅对高等生物具有毒性,对低等生物同样具有毒性,在生命进化形成的早期,地球上氧气非常稀少,所以早起的生命形式都是在几乎无氧的环境中进化形成的,这些生命形式都无法耐受氧气毒性,被成为厌氧生物。

随着大氧化事件的不断恶化,过去主要由厌氧生物组成的地球生物,无法耐受这种恶劣的高氧环境,大部分厌氧生物逐渐灭绝,当然在特定环境条件下,某些厌氧生物仍然能够生存,并一直繁衍到今天,例如在我们周围甚至在我们的大肠等部位,这些遗留下来的厌氧生物,尤其是厌氧细菌仍大量存在,有的可导致疾病的发生。

生命从开始出现,就是在和恶劣环境不断斗争的历史,宇宙环境充满各种对生命有害的物理化学因素,例如各种射线、雷电、高温、高盐、强酸强碱等,不一而足。不过这些恶劣的环境几乎都是促进生命产生和进化的条件和动力。所以,生命从产生到进化的整个历史,就是一个充满矛盾的结果。这次大氧化事件,氧气成为威胁地球生命的重要环境因素,不过氧气自身也是生命进化过程的必然结局,因为这些氧气正是富含叶绿体的优势物种带来的代谢产物。且看地球生命如何应对这一威胁。

线粒体的出现

线粒体是细胞中制造能量的结构,科学界也给线粒体起了一个别名叫做“powerhouse”,即细胞的发电厂。一个细胞内含有线粒体的数目可以从几百个到数千个不等,越活跃的细胞含有的线粒体数目越多,如时刻跳动的心脏细胞和经常思考问题的大脑细胞含有线粒体的数目最大,皮肤细胞含有线粒体的数目比较少。

线粒体或粒线体,是一种存在于大多数真核细胞中的由两层膜包被的细胞器,直径在0.510微米左右。除了溶组织内阿米巴、篮氏贾第鞭毛虫以及几种微孢子虫外,大多数真核细胞或多或少都拥有线粒体,但它们各自拥有的线粒体在大小、数量及外观等方面上都有所不同。这种细胞器拥有自身的遗传物质和遗传体系,但因其基因组大小有限,所以线粒体是一种半自主细胞器。线粒体是细胞内氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷(ATP)的主要场所,为细胞的活动提供了能量,所以有“细胞动力工厂”之称。除了为细胞供能外,线粒体还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程,并拥有调控细胞生长和细胞周期的能力。英文中的“线粒体”(mitochondrion,复数形式为“mitochondria”)一词是由希腊语中的“线”和“颗粒”组合而成的。在“线粒体”这一名称出现前后,“粒体”、“球状体”等众多名字曾先后或同时被使用。

线粒体是如何进化形成的?其实正是得益于大氧化事件。大氧化事件来临后,过去地球上的厌氧生命已经难以生存,这时,一类具有专门消耗氧气的生命形式开始出现,当然具体的细节目前科学家仍不十分清楚。这种能消耗氧气的原始生命就是线粒体,线粒体在有氧环境中可以生存,而且它们可以利用海藻类植物光合作用合成的葡萄糖,并将葡萄糖消化分解变成可以被自己使用的ATP。不过,线粒体虽然武功强大,但自己仍然有缺陷,毕竟在结构上过于简单,难以形成复杂的生命形式。此时,一件更加离奇的事情发生了,某些厌氧细胞,或者说厌氧细菌,一不小心和线粒体发生了融合,或说是线粒体感染了厌氧细胞。线粒体进入这种细胞使后者获得了对付氧气的关键武器,让这些细胞拥有了克服高氧毒性的能力的同时,也带来了源源不断的ATP为细胞代谢提供能量。线粒体的出现,是厌氧生物向需氧生物转化的关键,是需氧生物形成的关键步骤。拥有线粒体的细胞就是我们现在所熟悉的所有需氧生物包括各种高等动物和植物的祖先。至此,地球生命形成了一种奇特的依赖关系。依靠光合作用吸收阳光能量制造葡萄糖和氧气的植物祖先,以及利用氧气代谢葡萄糖供应能量的高等需氧生物,当然植物也逐渐拥了线粒体,也具有利用氧气和代谢葡萄糖的能力。线粒体体和原始厌氧细胞形成共生关系,一方面限制了氧气浓度的继续攀升,另一方面各自获得了向高等生命形式进化的关键武器,这些细胞在消耗氧气的同时,代谢能量物质供应ATP,这奠定了多细胞需氧生命进化的基础。

从进化角度看,氧气首先对生物是有毒的,生命进化过程中,不仅克服了氧气的毒性,而且获得了利用能量物质代谢的技术,最终形成的新生命形式,变成依赖氧气的需氧生物,但是氧气对生物的毒性并没有消失,如前所述人类也早已清楚了解到氧气的毒性。




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