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点亮生命演化的闪电

闪电对地球生命有着很大的影响。从第一个诞生出来的细胞到今天纷繁复杂的生物圈,它在数十亿年里不断塑造着地球生命。下面,我们从4个方面来谈谈。

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1.生命的起源

让我们来做一个实验。拿一个玻璃容器,向里面装一些温水(可以是清水,也可是咸水),用来模拟原始地球上的一个池塘或一片海洋。水上面的空气用二氧化碳、氮气和水蒸气组成的混合气体替代,用来模拟早期地球的大气。现在,在上述混合气体中进行火花放电,来模拟闪电,而闪电以及暴风雨、火山喷发,都是早期地球上常见的事情。
持续放电几天后,我们开始分析容器内的化学成分。你会发现里面产生了氨基酸等有机分子,这是因为电流把简单的气体分子和水分子组合成了更为复杂的分子。基于类似的实验,科学家们已经发现,氨基酸和其他有机分子的产生,都有闪电的功劳。这些有机分子为生命的诞生提供了一个物质基础。所以说,有了闪电,才有了生命的基础。

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2.早期的微生物

大约在35亿年前,单细胞微生物第一次演化出来。它们出现并存活下来,与闪电是分不开的。
所有生物都需要氮元素,用它来制造出诸如蛋白质和DNA这样的基本生命分子。氮气一直是地球大气层的主要组成部分,但它非常稳定,很难被生物直接利用。它必须先转化为氮化合物,才能被生物细胞所利用。而闪电划过天空时,会撕裂氮气分子内两个原子之间的化学键,还能把氮原子与附近的氧原子焊接起来,形成氮氧化物(NO和NO2)。这些氮氧化物可以被早期微生物利用,这样这些微生物就可以继续繁殖下去。
随着微生物散布在整个地球,数量不断增加,闪电产生的氮氧化物就不够它们使用了。这促使微生物发生了演化,最终学会了如何在体内把氮气转化为可利用的氮化合物。

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3.土壤细菌

细菌已经征服了地球的表面,大气和地下深处也有细菌驻扎着。细菌之所以能适应世界各地的环境,与它们一些特别的演化能力是分不开的。例如,它们可以借助“转化”机制获取新的能力。这里所说的转化,指的是细菌的细胞膜渗透性有时会增强,允许周围的DNA片段进入细胞内。如果这段DNA包含有用的基因——比如具有耐药性的基因——并且还能落在细胞内正确的位置上,那么细菌就得到了这个基因上的技能——具有了耐药性。
我们已经搞清楚如何在实验室里“哄骗”细菌发生转化。例如,向一块包含细菌和DNA的土壤通电,就可以让一些细菌发生转化。这个实验意味着,我们可以根据我们的意愿给细菌加入特定的基因。另外,这也意味着类似的情况在自然环境中也能发生,因为土壤中通常充满了细菌和DNA,闪电也经常打到地面上。所以说,闪电在促进细菌发生转化以及发生演化的过程中,可能起了很大的作用。

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4.森林生活

随着时间的流逝,纷繁多样的生物演化出来,而闪电会继续寻找新的方式来施加自己的影响力。
只要有树出现,闪电就有可能灭了它们,除了给它们致命的电击,闪电也会引起森林火灾。通常来说,森林火灾是有好处的,因为树木死亡是森林一个重要的组成部分——它们为许多动物和真菌提供栖息地和食物。例如,树皮甲虫喜欢吃被闪电烧毁的树木。
更重要的是,烧过后的这片区域常常会长出一组固定的生物群落。例如,十分好吃的羊肚菌往往会从烧焦后的土壤和木头上长出来,而且数量可观。在平时,你很难在森林中看到大片的羊肚菌。不过如果你喜欢露营的话,你还会发现它们偶尔会在燃尽的篝火里长出来。羊肚菌喜欢在火后长出来,这背后的机理我们还不太了解。一些科学家推测,部分原因可能是树木和地表有机物被烧掉后,为羊肚菌等真菌的生长提供了生长空间。
树木燃烧产生的热量和烟,还能促使一些植物种子的萌发。一些种子始终是不透水的,直到它们暴露于高温之中。之后,这些种子一旦遇上水,就可以发芽了。另外,树木燃烧时产生的烟中还包含了一些调节植物生长的分子,这些分子也会刺激某些种子的萌发。

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