亿万年前的生命“氧”成记
今天，人们对氧气的存在已经习以为常。如果把时钟拨回到几十亿年前，回到生命刚刚在地球上立足的时代，我们会发现那时地球上根本没有氧气，但在衰老恒星的演化过程中，恒星核心通过核聚变合成了氧，所以宇宙中氧的含量还是比较丰富的，仅次于氢和氦。不过，因为氧特别容易和其他元素发生化学反应，所以绝大部分的氧是以某种化合物的形式存在。这类化合物被称为氧化物，其中最常见的就是水。
据科学家推测，在地球诞生的早期，其表面有大量的水。地球上演化出的第一批生物从未见过氧气，它们通过无氧呼吸获取能量，同时利用化学能合成身体所需的有机物。在海洋深处就有一个生机勃勃的生态系统，管虫等多种生物生活于其中。
在距今约30亿年前，蓝细菌利用太阳能将水的氧原子的电子夺走，再传递给二氧化碳。这一过程必然伴随着水被不断地裂解并释放出氧气。所以，随着蓝细菌的繁殖，氧气就被源源不断地释放出来。一开始，氧气刚刚释放出来就会被消耗掉，这是因为氧气会与当时地球上还普遍存在的还原性物质发生反应，从而又回到了某种化合物的形态。但当这些“缓冲物质”耗尽后，氧气就逐渐在地球大气中积累。随着时间的推移，地球大气中终于出现了一定浓度的氧气。这段时期被称为“大氧化”时代，发生在距今约24亿-18亿年前。
“大氧化”对于绝大部分厌氧生物而言是灭顶之灾。这些生物从未见过氧气，当然也不会利用氧气。对它们而言，氧气是有毒的，氧气会与其细胞中的各种生物分子发生反应，破坏细胞的正常功能。所以，“大氧化”必然伴随着一波“大灭绝”。同时，氧气浓度的上升又给地球的生命体指出了一条新的演化道路——如果能进行有氧呼吸，那么这种生物便可以得到更多的能量。
随着氧气浓度的上升，一个单细胞生物如果具有利用氧气氧化有机物从而获得能量的能力，它就会具有明显的竞争优势。所以，很多单细胞生物逐渐演化出了有氧呼吸的能力，但直到此时，地球上还没有出现真核生物。
什么是真核生物？真核生物是指那些人们通过显微镜可以看到其细胞核的生物，包括动物、植物、真菌、变形虫等。换句话说，几乎所有能形成复杂的多细胞个体的生物都是真核生物。现在，有科学家提出了一种假说——真核生物是由古细菌演化而来的。在几十亿年前的某一个瞬间，一个古细菌吞噬了一个细菌，或者说一个古细菌和一个细菌“融合”为一个新型细胞，结果导致细菌变为细胞中的线粒体，专门为新型细胞的有氧呼吸提供“服务”。之后，这个新型细胞的后代又形成了具有核膜的细胞核（简称细胞核），并逐渐把大部分基因都转移到位于细胞核内的染色质上，从而完成了向真核生物的演化。储存在细胞核内的基因不仅包括古细菌的全部基因，还包括细菌的大部分基因（所以今天线粒体DNA中只携带了少数线粒体基因，大部分线粒体的基因还是在细胞核中）。细胞核为真核细胞带来了显而易见的优势。
与它的两个“祖先”相比，拥有线粒体和细胞核的真核细胞有很大的优势。线粒体为其提供充足的能量，细胞核则使其有足够的空间存放海量的遗传信息。如果将真核生物比喻为计算机，可以说，这台计算机拥有可以长时间续航的电池以及存储空间超大的硬盘。在这个基础上，细胞便可以演化出更加复杂的结构，执行更多的功能，同时运动能力也进一步增强。在此基础上，自然界演化出复杂的多细胞生物，如植物、动物，最后演化出能够思考、具有高级智慧的人类。
虽然已经打下了如此充分的基础，但生活于“大氧化”时代的生物还是长时间处于比较简单的状态。研究发现，从“大氧化”完成到距今约8亿年前，地球上并未出现复杂的多细胞生物。这段时间长达10亿年，科学家将之称为“无聊的10亿年”。是什么阻碍了多细胞生物的诞生呢？这个问题目前并无公认的答案，科学界也是众说纷纭。然而，有一个事实是无法忽略的，即在这10亿年中，虽然地球的大气中已经“有氧”了，但氧气水平仍然处于较低的水平，估计通常不超过今天的氧气水平的10%，甚至可能低至0.1%。
氧气水平较低导致细胞很难获得足够的能量，因此难以产生更积极的行为模式，也难以构建更复杂的组织结构。另外，也有学者认为，氧气水平较低可能有利于某些特定细菌的代谢活动，从而使海洋富含硫化氢。对于大部分生物而言，硫化氢具有毒性，因此也限制了生物的多样性发展。
不过，在“无聊的10亿年”的末期，这一切都随着地球氧气水平的上升而结束了。由于某种未知的原因，地球的氧气水平在距今约8亿年前开始上升，并且最终在“寒武纪大爆发”的前夕接近今天的水平。“寒武纪大爆发”是地球生命系统早期发生的一次爆发式增加事件。具体是指距今5.4亿-5亿年前，地球海洋生命系统中“突然”出现了门类众多的后生动物（包括无脊椎动物和脊椎动物）。虽然出现“寒武纪大爆发”的原因目前科学界仍有争议，但是根据现有的科学证据，可以推测合适的氧气水平应该是其发生的一个必要条件。
(摘编自杨冬《亿万年前的生命“氧”成记》)
