生物地球化学作用的演化

如题所述

地球上最古老生命的记录——球状和棒状的单细胞细菌化石,发现于南非巴布顿地区和澳大利亚西部的燧石层,经同位素年龄测定,两者分别形成于3.8 Ga 和3.5 Ga前,均为海底热液喷发成因的SiO2胶体沉积形成的岩石(Awramik et al.,1983)。这些发现表明,至少在太古宙早期生命已在地球上出现,并且这些原始细菌十分类似现今活动于洋底热液喷口附近缺氧环境中的原始细菌(Brock,1980)。此后在漫长的地质年代中,生命通过厌氧异养原核生物阶段→厌氧自养原核生物阶段→真核海洋生物阶段→真核生物登陆→人类出现的进化,形成了丰富多彩的生物圈大千世界。随着生物的进化,生物赖以与环境进行物质和能量交换的新陈代谢机制——生物地球化学作用,也在不断地随时间发生演化。生物圈的发展不断地改变着地球的环境,而地球环境的变化又影响着生物的进化。

9.4.2.1 早期的光合作用

光合作用的演化是生物对地球最重要的影响之一。在2 Ga 前的早前寒武纪,大气圈曾是缺氧的,生命进化处于厌氧异养原核生物阶段及随后的厌氧自养原核生物阶段。研究发现这一时期中可能存在以下几种光合作用。

(1)产生甲烷的光合作用。最原始的光合作用可能是原始细菌分解简单有机分子(诸如,醋酸盐)从而产生出甲烷(CH4)的新陈代谢过程。这些简单有机分子由非生物方式形成,并存在于当时的洋中。此种光合作用可表示为:

地球化学

利用这种新陈代谢方式的生物曾是非生物合成产物的清除剂,属于专性异养生物,可归类于化学异样生物。此种微生物十分类似现代甲烷菌目中的发酵细菌。在这种产生甲烷的新陈代谢之后,早期异养微生物中可能曾出现借助还原CO2产生甲烷的光合作用:

地球化学

一般反应分两步进行:真菌将有机物质转变为醋酸盐、H2和CO2,然后原始细菌再将它们转化为甲烷(Wolin and Miller,1987)。

(2)使硫氧化的光合作用。在缺氧条件下能进行光合作用的原始细菌,可能与现今紫硫细菌和绿硫细菌很相像,不能在有氧的条件中发生光合作用,但能在缺氧条件下使还原态 H2S和 S氧化以形成 S0 和,这种新陈代谢可分别表示如下:

地球化学

地球化学

光合作用中产生的有机物质以(CH2O)表示。

不像蓝细菌、较高级的藻类和植物等所进行的光合作用,在此类光合作用中没有氧的参与,因此这个过程归属于无氧光合作用。已在3.5 Ga 前形成的沉积岩层中发现了硫酸盐矿物,这为那时存在这种光合作用提供了最好的证据(Welter,et al.,1980)。虽然水的光分解反应曾经产生少量的氧致使还原态硫化物氧化形成硫酸盐,但是地球早期的部分或大部分硫酸盐很可能由这种缺氧的光合作用所产生(Butcher,et al.,1992)。

9.4.2.2 产生氧的光合作用

由硫细菌进行的光合作用及由蓝细菌进行的产氧光合作用均已被发现曾存在于古海洋中(Schopf,1993)。两种形式光合作用均能产生出有机碳,其中13C丰度(δ13 C=-28‰)相对于溶解态重碳酸盐中的13 C丰度(δ13 C≈0‰)要贫得多,并且没有其他已知过程能在碳的稳定同位素之间产生如此强烈的分馏(Schidlowski,1988)。具有如此贫的13 C 的有机物化石近年已在年龄古达3.8 Ga 的岩石中发现(Mojzsis,1996)。然而,仅对产氧光合作用而言,其证据最早只见于大约3.5 Ga前形成的变质岩中,在此变质岩中条带状Fe2O3沉积被发现于燧石层中。虽然不能排除其他生物作用形成 Fe2O3沉积的可能,但是太古宙和古元古代全球性条带状铁建造的大量沉积一般均被视为是存在产氧光合作用的证据。

蓝细菌能够用水代替硫化氢进行光合作用而产生出氧:

地球化学

这样的新陈代谢过程称为产氧(含氧)光合作用,以示与无氧光合作用的区别。所有蓝细菌、藻类和较高等的植物均能进行这类光合作用。

产氧光合作用除去呼吸和分解作用消耗后剩余的那部分氧才是组成地球大气圈的氧。上述已经指出产氧光合作用在地质记录中出现的时间远早于2.0 Ga 前,因为大量条带状铁建造的沉积已归因于洋水中Fe2+被O2所氧化。形成条带状铁建造所需要的O2是巨量的,它只能以能进行光合作用的生物所产生的氧来解释。前寒武纪惟一能进行这种光合作用的生物是蓝细菌,而且像蓝细菌的化石也广泛出现于这个时代的地质建造中。大约在2.0 Ga前出现的红层具有更氧化的铁,这表明它们只能形成于较条带状铁建造沉积时期更多氧的环境中。大气圈的氧含量看来是在几百万年的期间缓慢增长的,作为产氧光合作用的结果,地球大气圈曾在2.0 Ga至0.5 Ga期间发生了由缺氧过渡为氧含量达21%的转变。

9.4.2.3 氧对生命演化的效应

大多数复杂生物需要氧才能生长,因此,这些生物的演化在地球上出现自由氧(2.0 Ga)之前发生是不可以想象的。当自由氧开始在地球上积累时,初始出现的氧对于那时存在的所有生物来说均是有毒的,正如现今O2能杀死大多数生活于缺氧环境中的生物那样。这可能是生物学上的首次的污染事件,它造成了绝大部分厌氧微生物的灭绝,仅留下极少量的此类生物生活于现代局部缺氧的环境中。然而,自由O2的出现也改变了地球上生命的面貌,使真核生物逐渐发展起来。

真核生物的新陈代谢在大气圈O2达到现今水平的1%时就能够进行(Chapman and Schopf,1983)。真核生物的化石已发现于1.7 Ga至1.9Ga前形成的岩石中(Knoll,1992)。环境中的O2能使真核生物将它们的异养呼吸局限于线粒体中,这提供了一种有效的新陈代谢机制,并促进较高级生命形式的快速增殖。同时,真核植物细胞中的叶绿体能够进行更有效的光合作用,从而提高O2产量,使O2在大气圈中进一步聚集起来。

总之,细菌和蓝细菌曾统治了自生命出现以来的约四分之三的时间,而丰富多彩、种类繁杂的高级生命形式则主要出现和演化于以后的600 Ma期间。一般认为寒武纪的生物爆发与氧的产生和积累密切相关。

9.4.2.4 生物登陆后的地球化学作用

大气圈平流层中O2遭受光化学分解反应,导致了臭氧层屏障的出现,这为生物登陆创造了必要条件。虽然有某些化石证据说明在前寒武纪曾有广泛的微生物群落出现于陆地(Horodyski and Knauth,1994),但是在臭氧屏障出现之前较高级生物大量移居大陆的可能性甚微。多细胞生物曾在680 Ma前形成的海洋沉积物中被发现,但植物登陆看来发生在志留纪之后(Gensel and Andrews,1987)。植物登陆后不久就发展出了木质化的木质组织(Lowry et al.,1980),并与菌根真菌有效共生,这使植物能从土壤的磷贮存中获取非活动性的磷(Pirozynski and Molloch,1975;Simon et al.,1993)。

几种新的对于全球生物地球化学循环具有关键作用的新陈代谢方式,也在氧的促进下发展起来。其中主要的有:

(1)影响硫地球化学循环的有氧化学自养作用。这种作用由各种硫杆菌以硫或H2S为基础来完成(Ralph,1979):

地球化学

反应中产生的氢离子与将CO2固定于有机物质中产生能量的反应相耦合。在原始地球上这些微生物能够利用来自缺氧光合作用产生的元素硫(S0),而现今它们只出现于存在元素硫和H2S的局部地方,包括深海某些热液出口附近。

(2)影响氮地球化学循环的有氧化学自养作用。由亚硝基化毛细菌和硝化细菌完成的氮转化反应也很重要:

地球化学

这些反应构成氮的硝化作用,释放的能量将与这些化学自养细菌进行的固定碳的作用相耦合。这些反应产生的硝酸盐在水中是易溶解的,所以它是河流供给海洋无机氮的主要形式。

(3)影响氮地球化学循环的缺氧异养作用。现今生存于土壤和湿的沉积物中的Pseudomonas属细菌能够进行缺氧异养的脱硝反应(Knowles,1982):

地球化学

虽然脱硝反应需要无氧环境,但是脱硝细菌只是在功能上是厌氧的。有几方面的证据表明,脱硝作用的出现可能晚于产甲烷的和硫酸盐还原的严格厌氧新陈代谢过程(Betlach,1982)。大多数脱硝细菌,如Pseudomonas,都属于较原始细菌更进化的真菌类。再者,脱硝作用只能在海洋中浓度达到较高的水平之后才能有效地进行,而早期海洋水可能只含很低的(Kasting and Walker,1981),因此,脱硝作用过程应直到环境中存在足够的氧能驱动氮的硝化反应之后才能出现。

(4)大陆吸附地球化学障的出现。生物登陆逐渐改变着大陆地表岩石裸露的地貌,使之不断为土壤植被所覆盖,从而构成了大陆表面的吸附地球化学障。此后,大陆岩石风化释放出的大量可溶性元素,尤其微量元素就被土壤中有机质和粘土矿物所吸附而存留在土壤内,这必然减少了它们通过河流向海洋的输入量,这也可能是早古生代黑色页岩较后来的同类岩石明显富金属元素的主要原因之一。虽然当时海底热液来源的金属元素输入不应被排除,但迄今尚无在早古生代海底热液活动较以后明显强烈的确切证据。

温馨提示:答案为网友推荐,仅供参考
第1个回答  2021-04-27

生物地理学与演化的关系