现实版冰与火之歌：6亿年前的地球争霸战到底多凶残？

位于格陵兰岛南部的海姆达尔冰川

在大约7.17亿年之前，地球曾是一个冰雪皑皑的星球，就连海洋表面也几乎全都被冻结。那时的陆地仍然是一块完整的超级大陆，上面覆盖着超过一公里厚的冰层。

然后，这一切都发生了改变。汹涌喷发的火山向大气中释放了大量二氧化碳，后者捕获了太阳的热量，并引发全球变暖。覆盖整个星球的冰壳逐渐消融，海平面的温度上升到49-60摄氏度。

就这样，到了6.59亿年前时，地球从一个大冰球变成了超级温室。又过了1400万年，冰雪卷土重来，地球第二次变成了冰的世界。

对地球上的生命来说，这一曲冰与火之歌是一段极其重要的时期。

根据澳大利亚国立大学（Australian National University）研究人员约亨·布罗克斯（Jochen Brocks）的说法，这个过程释放了大量的营养物质，让海洋发生了永久性的改变，使其从一个由细菌统治的地方变成了藻类占据主导地位的世界。

这些藻类反过来又彻底改变了海洋中的食物网络，为更大和更复杂生物体的进化铺平了道路，其中就包括第一批动物。如果藻类时代从未降临，地球就不会有今天的我们。

从细菌霸权到藻类霸权

蓝细菌

在藻类之前，海洋是被细菌统治着。有一些细菌，比如蓝细菌，可以利用阳光的能量来为自己制造食物，这个过程被称为光合作用。在这样做的过程中，它们生成了地球大气中的大部分氧气，而这构成了海洋食物网络的基础。海洋那时是细菌的天下。

接着，在一次偶然事件中，一个古老的复杂细胞吞食了一个蓝细菌，并获得了后者进行光合作用的能力。之后，那个融合细胞给地球带来了所有的藻类和植物——从漂浮在海洋的绿色浮游生物，到我们包寿司用的海苔，再到森林里的花草树木。是的，所有的这些都是拜那个最古老的融合细胞所赐。

开启这一切的融合事件发生在9至19亿年前的某个时候，一些科学家正试图缩小这个时间范围。不过，布罗克斯有一个不同的目标：他并不是太关心藻类诞生的具体时间，但却想知道它们在何时变得重要，何时从存在变为兴盛？以及何时取代蓝细菌成为地球主要的光合作用系统？

为了找到答案，他把目光投向了石油公司在开采石油过程中钻出的沉积物柱体。这些开采物中保存有古代细菌和藻类在死亡后沉入海底的遗骸，它们的细胞早已消失不见，但它们的化学物质成分仍然留存了下来。

其他科学家曾尝试对这些化学物质进行分析，但因为钻机上的石油会对沉积物造成污染，导致这些研究往往得到一些匪夷所思的结果。那些石油来自距今1.45-2亿年的侏罗纪，所以它们会掩盖更早期化学物质的存在。

当布罗克斯认识到这个问题，他使用工业机器把附在沉积物表面的污染物给去除掉。然后，他的团队把残留的岩石磨成粉末，并把它们放入一台类似于巨型咖啡机的机器当中。

这台机器会把溶剂泵入粉末，提取出其中的分子，最终产生看着像是（其实物质构成也很像）石油的棕色液体。布罗克斯和同事们会在这些黏糊糊的东西中搜寻两组特定的化学物质：甾烷和藿烷，它们分别可见于藻类细胞和细菌细胞。通过比较这两组物质的占比，他们便可计算出藻类和细菌的相对数量是如何随着时间推移而变化的。

他们发现，在地球第一个冰封期以及此前的所有岁月里，代表细菌的藿烷数量要远远超过代表藻类的甾烷。

然而，在地球解冻的那段间隔期，也就是6.45至6.59亿年前，甾烷的含量水平急剧上升了100到1,000倍，达到了一个高峰并一直延续至今。

此外，甾烷的多样性也增加了，从单个分子演变为包含各式各样分子结构的大家族。这些结果远远好于布罗克斯的预期，它们清楚地表明，藻类在那“短暂”的1400万年窗口期崛起了，数量和种类都变得更多了。

“藻类崛起的原因和后果是有争议的，我也期待着科学界就此展开争论。”布罗克斯说道。不过，藻类崛起本身的证据“非常清楚”，海洋曾发生过一场从由细菌主导到由藻类主导的转变。

霸权转移的导火索

为什么呢？

当布罗克斯读到一篇去年发表的研究论文——该研究揭示，在过去的海洋中，磷酸盐这一重要营养物质的含量水平曾非常低——他对发生转变的神秘现象感到困惑不已。

海洋中磷酸盐的含量水平是在6.35至8亿年前开始上升的，正好在藻类崛起之前。“我当时想：哇哦，这不可能是巧合。”布罗克斯如是说。

当磷酸盐的含量水平低时，细菌要比藻类兴盛，因为细菌的细胞要小得多。由于拥有更大的表面积/体积比，细菌能够更有效地吸收周围营养物质。“如果营养物质的浓度低，小个头生物每次都能胜出。”布罗克斯说，“在磷含量低的环境中，个头较大的藻类得不到机会。”

在地球的一个冰封期，当巨大的冰川将原始的山峦研磨成粉末，把磷酸盐释放到了海洋当中，这场竞争的天平开始向藻类倾斜。当地球变暖后，由此带来的更多降雨不断冲刷冰雪刚刚消融的地面，把更多的磷酸盐冲到了海洋当中。这导致了一场地球上前所未见的营养物质过剩，根据布罗克斯的说法，这破坏了细菌对海洋的统治。

布罗克斯认为事情是这样的：起初，这些过剩的营养物质会先被占主导地位的蓝细菌吸收，而后者又会成为微型吞食细胞的盘中餐。这些吞食者限制了细菌的数量，让个头更大的藻类有机会摄入营养物质，并最终繁荣兴盛。

大量藻类的存在反过来又推动了捕食者的进化，比如有孔虫——这是一种单细胞的捕食者，它们每天要吃下海洋一半左右的藻类。

有孔虫

生物间的军备竞赛

全新的食物网络就此形成，捕食者和猎物之间的“军备竞赛”也拉开了序幕，这样的竞赛让生物的个头进化得越来越大。在6.35亿年前这个节点，就在震旦纪的开端，厘米级的生物出现了，首批动物正是在那个时期诞生于世的。

“这些事件都是环环紧扣，首先是磷酸盐等养分物质的丰富化，接着是藻类兴起，再接下来就是进化出动物。”布罗克斯说，“藻类提供了食物和能量来源，让生物体的个头能够变大。我不认为只有细菌存在的生态系统能够进化出鲨鱼。”

对于布罗克斯的研究，美国西华盛顿大学的生物学家罗宾·科德纳（Robin Kodner）这样评价说：“这呈现了一种合乎逻辑的情境，并把最好的新数据整合到了一起。但是跟所有基于历史的地理生物学研究一样，它有一些过于简单化。”

青绿藻

举例来说，在众多藻类品种中，只有绿色藻类（特别是青绿藻）才是唯一具有重大生态意义的藻类。目前还不清楚，布罗克斯发现的藻类崛起是否就是青绿藻的崛起。

此外，很多青绿藻个头很小，只比蓝细菌略大。为什么它们的崛起应该让海洋食物网络发生布罗克斯所认为的那种巨大变化，科学家还找不出什么特别的理由。

现实情况是，这样的网络是非常复杂的。蓝细菌和藻类共存，各自扮演不同的角色。以一种猎物为食的捕猎者通常也会捕食另一种猎物。所以，搞清楚藻类崛起是如何导致动物诞生——甚至这种因果关系是不是真的存在——那将需要开展更多的研究。

重构数亿年前发生的事件必定很有难度，而这样的研究工作将始终对推测和争辩敞开大门。

但布罗克斯的研究工作很有价值，因为它把一系列不同的观察结果整合到了一个紧密的框架当中，从而可以跟今后的发现进行比较，来自哈佛大学的安德鲁·诺尔（Andrew Knoll）在相关评论中写道。

翻译：何无鱼

来源：The Atlantic