蓝藻：让地球大气层充满氧气的大功臣

之前我们有一篇文章介绍如果穿越到35亿年前的地球，却发现当时正处于太古宙的地球上没有氧气，所以人类无法呼吸，那么后来地球大气层是怎么变成现在这样富含氧气的呢？这不得不说一个大功臣——蓝藻了。

35亿年前的地球没有臭氧层，那还有生命存在吗？

当时地球上的海水量是现在的两倍，但是水分子一个个消失了，因为大气中没有氧气，也就没有臭氧层。

在没有臭氧层保护的情况下，来自太阳的强烈紫外线能毫不受阻拦地轰炸水分子，让水分子分解成氢和氧。比较轻的氢原子很快地逸散到太空中，氧原子则马上和水中的矿物质结合。在没有臭氧层的状况下，地球会朝着毫无生机的方向演化。金星的命运便是如此，曾经有水的金星，现在干燥无比。

不过这时候的地球有海洋，海洋中已经诞生了一些单细胞细菌，以及类似细菌的单细胞生物—古菌。这些微生物和其他所有生物一样，都需要能量才能运作，以及制造更多细胞的组成成分，以便分裂复制。

它们的细胞壁坚硬，因此不可能经由掠食其他同类来得到能量。不过它们可以把细胞壁外的硫化氢吸收到细胞内，经由化学反应让硫化氢的电子释放出来，再利用这些电子合成暂时储存能量的分子ATP（三磷酸腺苷）。细胞利用ATP和溶解在水中的二氧化碳合成有机化合物，包括生长和生殖所需要的胺基酸、蛋白质、脂质和糖类。

现在地球上依然有许多这类化学自养生物，它们生活在海底热泉，或是黄石国家公园充满硫的热泉等这些极端的环境中。但是差不多在你拜访古代地球的时候（或是前后一两亿年），一种新的细菌在太阳下演化出来了。

这种细菌漂浮在海面下附近，因为含有叶绿素和其他色素而呈现蓝绿色，所以它们被命名为蓝藻，也被叫做蓝绿菌。这些色素能吸收含有太阳能量的光子。蓝藻用这些能量把水分解成氢和氧，产生电子，制造三磷酸腺苷。然后它们就和化学自养生物一样，利用ATP合成有机化合物，这个过程称为光合作用。蓝藻把氧气当成废弃物排出，因此这过程称为产氧型光合作用。这是非常复杂的过程，就连今日的科学家依然还没有解开这个机制的细节。

蓝藻具备的功能让它们繁荣昌盛。古菌和其他细菌只是到处飘荡，企盼能遇到它们各自喜爱的化学食物，但是这种新出现的生物并不是分解水中偶然才能遇到的成分，而是分解无所不在的水分子。蓝藻只要在有阳光的状况下就能进食，因此繁殖的速度非常快，而且持续产出氧气。（在20亿年时间中）这些氧气飘到大气中，形成具有保护作用的臭氧层，让我们的蓝色行星免于笼罩于沉沉死气之中。

蓝藻和闪电竟然也有共通之处

如果这还不够厉害，有些蓝藻种类还有比舞动它们的蓝绿色身段更厉害的技术。

地球上的生物需要氮，DNA、ATP、蛋白质和其他生物所必须的化合物中都含有氮原子。地球大气中一直有很多氮气，但是氮气中的氮原子彼此结合得很紧密，生物无法直接运用。而闪电的电压高达一亿伏特，这等或是更高的能量能够打破氮气分子，让个别的氮原子和氢或氧结合，形成氨、铵盐或硝酸盐等把氮固定起来的分子。

但是棘手的地方在于闪电虽然壮观，却无法大量产生这类分子。如果生命只能依靠闪电，就永远无法登上陆地。正当此时，蓝藻登场了。它们能做到和闪电一模一样的事，只不过是在微生物的尺度下。

蓝藻成为地球上主要的固氮生物。幸好蓝藻乐于分享，它所固定下来的氮有一半会排入水中，可以被细菌和古菌吸收。如果没有具备固氮能力的蓝藻，海洋中的生物形式将会非常简单，而且数量也不多，只因固定下来的氮不足。

有创意的蓝藻，让自己在固氮时，不被氧气击倒

不论在过去或现代，蓝藻固氮都相当不容易。首先它们要能够制造固氮酶，这种酵素含有铁和钼，能催化固氮反应。除此之外，它们还要防范一个由自己制造的问题：氧气。

这个问题是这样的：氧原子的最外层有六个电子，因此它还要再抓住两个电子，才能让最外层有八个电子，形成稳定的状态。早期的海水溶满了铁，而铁原子在最外层有两个电子，所以你可以想见会发生什么事──蓝藻抛弃的氧很快就会抓住铁，如此一来，蓝藻就没有能用来制造固氮酶的铁原子了。

蓝藻得要有创意才行。有些蓝藻在固氮的时候停止光合作用（这样就不会释放氧气了），有些蓝藻只在晚上不进行光合作用时行固氮作用（但如果没有阳光照射就会发生混乱）。有些则和同种的其他个体合作，细胞彼此连接成细微的丝状结构，就像是一串珠链。约有十分之一的珠子会停止光合作用，并且让细胞壁变得更厚，以阻挡氧气进入。这些特殊的细胞称为异型细胞，专门固氮，会把含氮分子分享给左右细胞，换来糖类以维持生存。现在能固氮的蓝藻依然采用这些方法。