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氫氣知識

大氧化事件與線粒體的出現

發布時間:2017-05-20 瀏覽次數:次 字號:  【關閉】
你已經知道了氧氣的毒性,不過我們應該慶幸,因為氧氣的毒性恰好是生命早期進化的最重要動力。為理解這個問題,我們需要先了解一下地球歷史上的一個和生命進化關系密切的大氧化事件吧。
大氧化事件,是指約26億年前,大氣中的游離氧氣含量突然增加的事件。這一事件的具體原因尚不得知,目前只有若干種假說能加以解釋。有說法認為,是由于海藻類植物進行光合作用,使得地球上的氧氣迅速增加,而消耗氧氣的甲烷細菌所依賴鎳水平急劇下降,使得大氣中的含氧量持續大量增加,所以稱為“大氣氧化事件”。大氧化事件使得地球上礦物的成分發生了變化,也使得日后動物的出現成為了可能。
氧氣不僅對高等生物具有毒性,對低等生物同樣具有毒性,在生命進化形成的早期,地球上氧氣非常稀少,所以早起的生命形式都是在幾乎無氧的環境中進化形成的,這些生命形式都無法耐受氧氣毒性,被成為厭氧生物。
隨著大氧化事件的不斷惡化,過去主要由厭氧生物組成的地球生物,無法耐受這種惡劣的高氧環境,大部分厭氧生物逐漸滅絕,當然在特定環境條件下,某些厭氧生物仍然能夠生存,并一直繁衍到今天,例如在我們周圍甚至在我們的大腸等部位,這些遺留下來的厭氧生物,尤其是厭氧細菌仍大量存在,有的可導致疾病的發生。
生命從開始出現,就是在和惡劣環境不斷斗爭的歷史,宇宙環境充滿各種對生命有害的物理化學因素,例如各種射線、雷電、高溫、高鹽、強酸強堿等,不一而足。不過這些惡劣的環境幾乎都是促進生命產生和進化的條件和動力。所以,生命從產生到進化的整個歷史,就是一個充滿矛盾的結果。這次大氧化事件,氧氣成為威脅地球生命的重要環境因素,不過氧氣自身也是生命進化過程的必然結局,因為這些氧氣正是富含葉綠體的優勢物種帶來的代謝產物。且看地球生命如何應對這一威脅。
線粒體的出現
線粒體是細胞中制造能量的結構,科學界也給線粒體起了一個別名叫做“powerhouse”,即細胞的發電廠。一個細胞內含有線粒體的數目可以從幾百個到數千個不等,越活躍的細胞含有的線粒體數目越多,如時刻跳動的心臟細胞和經常思考問題的大腦細胞含有線粒體的數目最大,皮膚細胞含有線粒體的數目比較少。
線粒體或粒線體,是一種存在于大多數真核細胞中的由兩層膜包被的細胞器,直徑在0.5到10微米左右。除了溶組織內阿米巴、籃氏賈第鞭毛蟲以及幾種微孢子蟲外,大多數真核細胞或多或少都擁有線粒體,但它們各自擁有的線粒體在大小、數量及外觀等方面上都有所不同。這種細胞器擁有自身的遺傳物質和遺傳體系,但因其基因組大小有限,所以線粒體是一種半自主細胞器。線粒體是細胞內氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷(ATP)的主要場所,為細胞的活動提供了能量,所以有“細胞動力工廠”之稱。除了為細胞供能外,線粒體還參與諸如細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過程,并擁有調控細胞生長和細胞周期的能力。英文中的“線粒體”(mitochondrion,復數形式為“mitochondria”)一詞是由希臘語中的“線”和“顆粒”組合而成的。在“線粒體”這一名稱出現前后,“粒體”、“球狀體”等眾多名字曾先后或同時被使用。
線粒體是如何進化形成的?其實正是得益于大氧化事件。大氧化事件來臨后,過去地球上的厭氧生命已經難以生存,這時,一類具有專門消耗氧氣的生命形式開始出現,當然具體的細節目前科學家仍不十分清楚。這種能消耗氧氣的原始生命就是線粒體,線粒體在有氧環境中可以生存,而且它們可以利用海藻類植物光合作用合成的葡萄糖,并將葡萄糖消化分解變成可以被自己使用的ATP。不過,線粒體雖然武功強大,但自己仍然有缺陷,畢竟在結構上過于簡單,難以形成復雜的生命形式。此時,一件更加離奇的事情發生了,某些厭氧細胞,或者說厭氧細菌,一不小心和線粒體發生了融合,或說是線粒體感染了厭氧細胞。線粒體進入這種細胞使后者獲得了對付氧氣的關鍵武器,讓這些細胞擁有了克服高氧毒性的能力的同時,也帶來了源源不斷的ATP為細胞代謝提供能量。線粒體的出現,是厭氧生物向需氧生物轉化的關鍵,是需氧生物形成的關鍵步驟。擁有線粒體的細胞就是我們現在所熟悉的所有需氧生物包括各種高等動物和植物的祖先。至此,地球生命形成了一種奇特的依賴關系。依靠光合作用吸收陽光能量制造葡萄糖和氧氣的植物祖先,以及利用氧氣代謝葡萄糖供應能量的高等需氧生物,當然植物也逐漸擁了線粒體,也具有利用氧氣和代謝葡萄糖的能力。線粒體體和原始厭氧細胞形成共生關系,一方面限制了氧氣濃度的繼續攀升,另一方面各自獲得了向高等生命形式進化的關鍵武器,這些細胞在消耗氧氣的同時,代謝能量物質供應ATP,這奠定了多細胞需氧生命進化的基礎。
從進化角度看,氧氣首先對生物是有毒的,生命進化過程中,不僅克服了氧氣的毒性,而且獲得了利用能量物質代謝的技術,最終形成的新生命形式,變成依賴氧氣的需氧生物,但是氧氣對生物的毒性并沒有消失,如前所述人類也早已清楚了解到氧氣的毒性。
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