第5章 微生物是如何创造出我们所呼吸的空气的

大约38亿年前，地球上的海洋中出现了生命，当时的海洋温度仍然很高。第一批生物是没有细胞核的微生物，称为原核生物。它们通过利用火山热能从大气气体和矿物等无机材料中制造食物而存活下来。

原核生物是一种单细胞有机体，缺乏膜结合的细胞核、线粒体或任何其他膜结合的细胞器。细胞中含有一个主要的DNA团和一个或多个称为质粒的次要DNA线，还包含一些其他部分，比如吐出蛋白质和辅助移动的核糖体。

原核生物极小。它们没有嘴，没有肛门，也没有胃。营养物质和废物都在细胞内外扩散。一些原核生物用一个小抓钩拖着自己走。另一些则有一条旋转的尾巴，带动它们四处走动。它们对周围环境中的化学物质进行取样，以确定它们可能会在哪个方向找到食物。

地球上的大多数生物都是原核生物，有两种类型——细菌和古细菌。它们看起来很相似，但基因不同。病毒甚至比细菌更小更简单，只含有少量包裹在蛋白质胶囊中的遗传物质。病毒不能自行繁殖。它们必须将自己的遗传物质注入宿主的细胞，依靠宿主细胞复制病毒遗传物质。

原核生物通过一种叫作菌毛的管子将两个细胞连接在一起，让遗传物质流过，从而共享基因。这使得细菌可以获得基因来做一些新的事情，比如抵抗某种特定的抗生素。不同种类的细菌或古生菌可以彼此和其他物种共享基因。

原核生物可以直接从环境中摄取DNA，例如由其他细菌脱落的DNA，或者由实验室的科学家引进的DNA。它们也可以通过病毒共享基因。感染细菌的病毒称为细菌噬菌体——简称噬菌体。噬菌体从一种细菌中提取基因并将其携带到另一种细菌中。如果这种基因提高了细菌的存活率，它就会传给下一代。

原核生物通过细胞分裂进行繁殖。大肠杆菌生活在你的肠道里，每隔20分钟分裂一次。细菌在36小时内就可以繁殖足够的后代，以1英尺厚的细菌层覆盖地球表面。

生物膜

如果细菌或古生菌找到了一个很好的食物源，它们就会定居下来，并粘在一起形成一个称为生物膜的群体。菌斑是细菌在牙齿上形成的生物膜。大多数生物膜由多个菌落组成，数百种细菌竞争资源。生物膜甚至可以繁殖成复杂的，由数百个物种组成的群落，形成一个坚硬的基质。

同一邻域的细菌必须达到一定数量——这是启动基因形成生物膜的菌群密度。一旦进入生物膜，细菌就会调节行为来防控威胁，利用种群的数量驱逐其他物种，并使用化学武器阻挡其他微生物。它们汇集营养，在有食物的时候有轮流进食，甚至共享健康的细胞壁。单独的一个甲型副伤寒沙门氏菌不会让你患上风寒，但是一个甲型副伤寒沙门氏菌的生物膜就会具有毒性。

生物膜接触来苏尔（消毒剂）时并不会立即死亡。当一些生物膜濒临死亡时，另一些生物膜正在通过细胞分裂繁殖，还有一些可以形成内孢子进入冬眠，帮助细胞抵抗环境压力，等条件改善的时候再恢复正常状态。

极端微生物

极端微生物是一种单细胞微生物，生活在原始的地球环境中，比如有毒气体、极咸和恶性高温。隐长岩是生活在海床下的多孔岩石中的极端微生物，以甲烷和硫黄为食。其他极端微生物生活在珊瑚、动物壳或岩石矿物颗粒之间的孔隙中。一些被称为嗜冷菌的微生物生活在永久性积雪中。在切尔诺贝利受损核反应堆的放射性环境中和洛杉矶拉布雷亚沥青坑的液态沥青中也有微生物在活跃。科学家们在南极洲阴沉的麦克默多干谷下的一个深盐湖中也发现了存活的微生物。那些微生物通过分解基岩中的铁来获取能量，已经有一百多万年的历史了。

微生物与大气

当元素从无机状态转化到有机状态时，食物链就形成了。10亿年以来，原核生物以二氧化碳、水和溶解的铁为食。但当一种名为蓝藻细菌的新型海洋生物开始利用光合作用制造食物时，一切都改变了。这包括利用太阳能将水分子分解成氢和氧，然后利用释放的能量将氢和二氧化碳分子转化为糖。

在过去的20亿年里，通过光合作用分裂水分子产生了如此多的食物，以至于蓝藻细菌疯狂地繁殖。更多的蓝藻细菌意味着更多的光合作用和更多的氧气释放到大气中。起初，海洋中溶解的铁吸收了大量的氧气。因为铁是地球上最常见的元素，所以周围有很多铁需要被氧化。但是当氧气的含量超过铁或其他物质的含量时，过量的游离氧就开始在大气中累积。

如今，蓝藻细菌被组装成了生物膜，再被分层成微生物席。这些微生物席吸附泥沙和沉积物，形成了坚固的、类似软钙质砂岩的结构，被称为叠层石或层状岩石。叠层石是大气的制造机。今天，海洋中的这些浮游细菌产生了大气中五分之一的氧气。

当氧气在大气中积累时，会与来自太阳紫外线相互作用，形成臭氧。臭氧是一种气体保护层，它减少了陆地上的紫外线辐射，从而降低地球生物发生与紫外线相关的致命DNA突变的可能性。

当地球大气开始转化为氧气时，一些科学家认为可能是大规模物种灭绝的原因。这是因为不适应氧气的细菌和古生菌要么会死亡，要么会被放逐到氧气无法到达的地方。但是氧气大屠杀对于利用氧化矿物质或氧气本身生存的其他生物来说将是一比巨大的财富。

微生物创造了环境，而大自然选择了那些能够在这种环境中生存和繁荣的生物。这意味着呼吸氧气的微生物是那些需要氧气的生命的祖先。所以一切植物、动物和所有的真菌都是由微生物联系在一起的。

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