甲烷,差一点毁灭地球?

二叠纪大灭绝事件

早在恐龙看见流星之前地球上的生物就遭遇过毁灭性的灾难。古生代(Paleozoic era)的最后一段时间是二叠纪(Permian period),时间大约是距今约三亿年前开始,一直到两亿五千万年前。在从二叠纪到下一段时期中生代(Mesozoic era)的三叠纪(Triassic period)间,地球上发生了重大改变。海洋里 96% 的物种灭绝,陆地上的脊椎动物也有 70% 从地球上消失。这是地球上最惨烈的一次生物大灭绝。是有颗大陨石打中地球了? 还是当时恐怖的火山持续大喷发? 不少研究尝试还原当时的状况找出灭绝的真相,但是真正的原因到现在还是不清楚。这篇研究结果对大灭绝的成因提出了新的看法,我们跟著作者的观察来看看到底是怎么回事。

化学上的线索

解谜的第一步先来看化学上的线索。过去的研究指出在这段时间内碳循环应该发生了很大的变化。这次参与这个研究的科学家们首先是做了碳的稳定同位素分析,看看这段时间里含碳化合物的变化。他们从中国取得在大灭绝发生前一小段时间的地质样本进行分析,发现这段时间内碳同位素比值的确发生变化,而且越接近大灭绝的时间看到的变动越快,甚至以超过等比级数的速度改变。他们推测当时有大量有机物被转化为无机的二氧化碳,改变了碳同位素的比值。有机碳和无机碳的含量理应处在动态平衡的状态。当时到底发生了什么事,让这个平衡被扰乱了?而且变化的速度还必须越来越快?

过去有人认为,二叠纪末期的火山活动长达数千年,火山爆发时从地底冲出大量二氧化碳可能就是造成碳循环改变的主因。不过如果真的是火山带来的改变,这改变应该随着喷发的时间拉长,地底压力降低了而慢慢变小,而不是快速增加。另一个可能,是地球升温,造成海底甲烷冰融化释出大量甲烷。不过海底来的甲烷也应该会在高峰后释放量逐渐下降。那到底当时发生了什么事,能造成越来越强的碳变动?

要越来越强的反应,生物里有。像是子宫收缩时的正向迴馈机制,以及族群里个体数量的增加。对了,个体数量的增加,难道这是某种生物增加后看到的代谢反应?

甲烷是不是造成生物大灭绝的凶手?

那来看看甲烷是不是凶手好了。甲烷可能的来源除了来自地底的地质化学变化,还可以来自古菌的代谢反应。这些能生成甲烷的古菌统称甲烷菌(methanogen),是地球最早出现的住民之一。岔题一下,生过火烤过肉吗? 木头是来自植物的有机物,燃烧则是我们逼迫有机物和氧快速产生化学反应后的结果,这个化学反应放出很多能量,接着我们利用这能量来烤肉。我们的细胞会用很多酵素慢慢控制有机物跟氧化合时放出能量的速度,这样才不会把自己给烧了。烧红的木炭放出二氧化碳,我们在细胞里生火,啊,应该是呼吸,也是放出二氧化碳。可是其它微生物释放出来的东西不一定是二氧化碳,像酵母菌放出来的废弃物就是酒精,而甲烷菌放出来的就是甲烷了。

是谁在吃两亿五千万年前的醋?

目前已知的甲烷菌主要用两种方法取得活下去需要的能量:一种使用氢气为能源,结合二氧化碳后产生甲烷为代谢废物;另一种跟人类一样以有机物为能源,只不过它们利用的是醋酸,分解后一样产生代谢废物甲烷。现今利用醋酸为能源的甲烷菌又可以成两大类群。第一群主要是 Methanosaetaceae 科的甲烷菌,擅长在醋酸少的环境里抢醋酸,但是代谢方法的成本比较高。第二群是以 Methanosarcina 属的甲烷菌,利用醋酸的效率比较高,一旦醋酸多的时候它就称霸了。现今海洋里醋酸不多,所以第一群的数量比第二群要高出许多。不过,在两亿五千万年前会是什么样的状况呢?

两亿五千万年前的地球,氧气比现在少,所以微生物用氧气把有机物利用掉产生二氧化碳的速度也不高,所以大量来不及被利用掉的有机物就沉到了海底。这时给了厌氧细菌们大量的食物:有食物时为什么不吃呢你说是吧。于是海洋里的醋酸应该比现在多。这群研究人员怀疑在那个年代,因为醋酸多,养出了一群特别的甲烷菌。不过,我们可以经由挖出来的化石知道恐龙真的出现过,细菌那么小又容易分解,是没多少机会变成化石让我们挖的啊。

当年的生存血泪史,都记录在 DNA 上面了

不过,历史是会记录在生物身上的。就像小时候抄别人的作业不只是原作的每个字都照抄,还会附上自己不小心的错误。这些都一并转给下一个借我作业去抄的同学,结果错误就随着被抄了多少次而一版一版增加,你甚至可以从有多少错误猜出谁比较早抄,谁比较晚抄。

DNA 偶尔会在复制时发生突变,就像我们抄作业时偶尔会抄错一两个字一样。突变会累积,永远留在 DNA 里面,让我们可以像从有几个抄错的地方推算出这个生物到底在多久以前就出现在地球上。现在让我们回来看看前面提的那两群会利用醋酸的甲烷菌。这两群里效率高的那一群其实有个秘密:根据 DNA 序列比对分析结果,它们用来分解醋酸的基因其实是从吃植物纤维素的细菌那里偷来的!而经过这群研究人员利用核糖体基因序列分析,仔细校正时间后,他们发现这桩窃案就刚好是发生在这场大灭绝之前!难道说就因为它们从别的细菌那里偷到高效率产能技术,开心享用海底的醋酸,接着放出来的废物甲烷就足以毁灭地球上大部份的生物了吗?

这样就可以毁灭地球了吗?

别急,光靠这群甲烷菌还是没办法成气候的。要产生这么多甲烷,首先要能有足够的酵素配置在甲烷菌里头努力工作才能达成。要生产这酵素,需要放个镍当做酵素的核心。海水里的镍不多,根本无法支应生产这么多酵素,除非有奇迹发生。

而事情就是这么凑巧。就在这段时间,西伯利亚的火山连续喷发了数千年,把大量的镍送进海洋环境里。这群研究人员调出中国的地质样本分析当时的镍含量,发现就在碳含量发生剧变时,海洋里出现了大量的镍。

目前拼凑出来的历史

所以这故事成型了。二叠纪末期氧气浓度持续走低,让有机物在海洋环境堆积。一群古菌把握机会利用醋酸生长。它们刚从别的细菌得到高效率产能机器的DNA设计图,西伯利亚的火山活动又让海水里充满制造这机器的原料,于是这支甲烷菌军队成军。它们新拿到的基因比其它甲烷菌都要好用,很快就让它们成为优势菌种,接着快速扩张势力范围。海底的醋酸供应源源不绝,它们的数量也就完全无限制地持续成长。它们代谢出来的甲烷向上浮,进入大气,把大气里的氧气消耗掉,可能就造成地球上生物大灭亡,成为地球生物史中最黑暗的一页。到底这是不是大灭绝真正的原因?学术界过去数十年一直不停找出新证据来推测,而现在这个研究提供了一个新的想像空间。我们可以坐着期待下一个精彩的研究来挑战这一个研究提出来的理论。

细菌和地球

地球上第一次因为细菌活动造成的大改变,是蓝绿菌带来的氧气革命。它们的光合作用让大气里充满氧气,把厌氧生物逼进了地底这些阴暗角落,造就了好氧生物的霸业。而甲烷菌的逆袭再次大规模改变地球上的生物种类。现在人类正在改造这个地球,而且造成的改变不输火山。或许某个地方的细菌,正在蠢蠢欲动,静待它们的时代来临。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/dili/2562.html