讓地球大氣層充滿氧氣的星球改造神器：藍綠菌 《藻的秘密》

藍綠菌如果漂浮在水面上，並且經由黏質黏在一起，就會形成綠色的團塊。

這些團塊會吸收當時在水中漂蕩的各種成分，包括碳酸鈣和碳酸鎂之類的礦物質，以及 ... 0131文字分享友善列印0131地球脈動好書搶先看文明足跡環境生態生命奧祕科學傳播自然生態遠古生物讓地球大氣層充滿氧氣的星球改造神器：藍綠菌──《藻的秘密》臉譜出版・2020/01/14・3382字・閱讀時間約7分鐘・SR值524・七年級＋追蹤作者／茹絲．卡辛吉；譯者／鄧子衿想回到37億年前，你可能需要先準備好「氧氣裝備」！想像你自己來到三十七億年前的地球，在地球從宇宙塵埃聚集成行星之後，已經過了約七億五千萬年。

你站在一座岩石火山島上，往四面八方望去，只見富含鐵質的綠色海水延伸到地平線那端。

你所在的這座島嶼上沒有植物，也沒有可供植物生長的土壤。

因為土壤中含有植物被分解之後產生的有機成分，然而在三十億年前，地球上還沒有植物。

戴上裝備，出發！圖／pixabay你可能要像是水肺潛水者那樣攜帶氧氣裝備，因為那個時候的地球上沒有氧氣。

事實上，你周圍的大氣是由一氧化碳、二氧化碳和甲烷混合而成，其中可能還有氫氣、氮氣和二氧化硫，或許會致人於死，不過至少溫度是宜人的。

雖然當時太陽的亮度只有現在的七成，但是有二氧化碳和甲烷為地球表面保溫。

當時地球自轉的速度是現在的兩倍，所以日出之後六小時就日落，這可能會讓你驚慌失措。

那時候月球和地球的距離是現在的十分之一，讓月球看起來有十倍大，在天空中非常明亮。

由於距離地球很近，月球造成的重力效應也很強，海面漲落潮差超過數百呎。

你或許可以看到月球上的隕石坑，不過可能得看日子。

當時地球上的火山活動比現在活躍，經常會噴出火山灰和硫酸到大氣中。

在清晨與落日時分，天空會呈現黃色和橘紅色。

37億年前的地球沒有臭氧層，那還有生命存在嗎？當時地球上的海水量是現在的兩倍，但是水分子一個個消失了，因為大氣中沒有氧氣，也就沒有臭氧層。

曾經有水的金星，現在乾燥無比。

圖／wikimedia在沒有臭氧層的狀況下，來自太陽的大批紫外線能毫不受阻攔地轟炸水，讓水分子分解成氫和氧。

比較輕的氫原子很快地逸散到太空中，氧原子則馬上和水中的礦物質結合。

在沒有臭氧層的狀況下，地球會朝著毫無生機的狀況進展。

金星的命運便是如此，曾經有水的金星，現在乾燥無比。

不過這時候的地球有海洋，海洋中棲息著單細胞細菌，以及類似細菌的單細胞生物—古菌（archaea）。

這些微生物和其他所有生物一樣，都需要能量才能運作，以及製造更多細胞的組成成分，以便分裂複製。

它們的細胞壁堅硬，因此不可能經由掠食其他同類來得到能量。

不過它們可以把細胞壁外的硫化氫吸收到細胞內，經由化學反應讓硫化氫的電子釋放出來，再利用這些電子合成暫時儲存能量的分子ATP（三磷酸腺苷）。

細胞利用ATP和溶解在水中的二氧化碳合成有機化合物，包括生長和生殖所需要的胺基酸、蛋白質、脂質和醣類。

現在地球上依然有許多這類化學自營生物（chemoautotroph），它們生活在海底熱泉，或是黃石國家公園充滿硫的熱泉等這些極端的環境中。

但是差不多在你拜訪古代地球的時候（或是前後一兩億年），一種新的細菌在太陽下演化出來了。

黃石國家公園中的大稜鏡溫泉，有些藻類會生長在這樣極端的環境中。

圖／wikimedia這種細菌漂浮在海面下附近，因為含有葉綠素和其他色素而呈現藍綠色。

這些色素能吸收含有太陽能量的光子。

藍綠菌用這些能量把水分解成氫和氧，產生電子，製造ATP。

然後它們就和化學自營生物一樣，利用ATP合成有機化合物，這個過程稱為光合作用。

藍綠菌把氧氣當成廢棄物排出，因此這過程稱為產氧型光合作用（oxygenicphotosynthesis）。

這是非常複雜的過程，就連今日的科學家依然還沒有解開這個機制的細節。

藍綠菌具備的功能讓它們繁榮昌盛。

古菌和其他細菌只是到處飄盪，企盼能遇到它們各自喜愛的化學食物，但是這種新出現的生物並不是分解水中偶然才能遇到的成分，而是分解無所不在的水分子。

藍綠菌只要在有陽光的狀況下就能進食，因此繁殖的速度非常快，而且持續產出氧氣。

（在二十億年中）這些氧氣飄到大氣中，形成具有保護作用的臭氧層，讓我們的藍色行星免於籠罩於沉沉死氣之中。

1藍綠菌和閃電竟然也有共通之處？！如果這還不夠厲害，有些藍綠菌種類還有比舞動它們的藍綠色身段更厲害的技術。

地球上的生物需要氮，DNA、ATP、蛋白質和其他生物所必須的化合物中都含有氮原子。

地球大氣中一直有很多氮氣，但是氮氣（N2）中的氮原子彼此結合得很緊密，生物無法直接運用。

而閃電的電壓高達一億伏特，這等或是更高的能量能夠打破氮氣分子，讓個別的氮原子和氫或氧結合，形成氨、銨鹽（ammonium）或硝酸鹽等把氮固定起來的分子。

閃電可以固氮，但是如果生命只能依靠閃電，就永遠無法登上陸地了。

圖／pixabay但是棘手的地方在於閃電雖然壯觀，卻無法大量產生這類分子。

如果生命只能依靠閃電，就永遠無法登上陸地。

正當此時，藍綠菌登場了。

它們能做到和閃電一模一樣的事，只不過是在微生物的尺度下。

藍綠菌成為地球上主要的固氮生物（diazotroph）。

幸好藍綠菌樂於分享，它所固定下來的氮有一半會排入水中，可以被細菌和古菌吸收。

如果沒有具備固氮能力的藍綠菌，海洋中的生物形式將會非常簡單，而且數量也不多，只因固定下來的氮不足。

有創意的藍綠菌，讓自己在固氮時，不被氧氣擊倒不論在過去或現代，藍綠菌固氮都相當不容易。

首先它們要能夠製造固氮酶（nitrogenase），這種酵素含有鐵和鉬，能催化固氮反應。

除此之外，它們還要防範一個由自己製造的問題：氧氣。

這個問題是這樣的：氧原子的最外層有六個電子，因此它還要再抓住兩個電子，才能讓最外層有八個電子，形成穩定的狀態。

早期的海水溶滿了鐵，而鐵原子在最外層有兩個電子，所以你可以想見會發生什麼事──藍綠菌拋棄的氧很快就會抓住鐵，如此一來，藍綠菌就沒有能用來製造固氮酶的鐵原子了。

藍綠菌得要有創意才行。

有些藍綠菌在固氮的時候停止光合作用（這樣就不會釋放氧氣了），有些藍綠菌只在晚上不進行光合作用時行固氮作用（但如果沒有陽光照射就會發生混亂）。

有些則和同種的其他個體合作，細胞彼此連接成細微的絲狀結構，就像是一串珠鍊。

約有十分之一的珠子會停止光合作用，並且讓細胞壁變得更厚，以阻擋氧氣進入。

這些特殊的細胞稱為異型細胞（heterocyst），專門固氮，會把含氮分子分享給左右細胞，換來糖類以維持生存。

現在能固氮的藍綠菌依然採用這些方法。

藍綠菌要讓自己繁榮昌盛，真的不容易！藍綠菌要散播到全世界，不只必須解決固氮的問題。

它們還面臨兩難的困境：它們需要靠近海洋表面，但是又要避免紫外線破壞DNA。

為此它們演化出一層細胞外的多醣類（由糖分子連接而的長鏈），稱為黏質（mucilage），它可能是世界上最早的防曬成分，也是它讓藍綠菌具有那典型的黏滑表面。

最後，所有的藍綠菌都因為有黏質而變得黏黏滑滑。

總加起來，藍綠菌確實具有各種讓它自己繁榮昌盛的能力。

大部分的藍綠菌每七到十二小時可以複製一次，換算下來，一平方呎的藍綠菌可以在兩天之內覆滿一間小辦公室的地板。

有些種類的藍綠菌每兩個小時便複製一次，於是同樣的大小在兩天之內就可以蓋滿六座足球場。

不論是哪一種，最早的藍綠菌在數億年中複製的幅度，遠遠超過我們的想像。

這段其間，它們也演化出許多不同大小和形狀的種類：球狀、卵狀、桿狀、螺旋狀或絲狀（數量最多的是圓形原綠球藻〔Prochlorococcus〕，它們在1986年才被發現，也是最小的藍綠菌，一茶匙的海水有四十萬個原綠球藻）。

藍綠菌如果漂浮在水面上，並且經由黏質黏在一起，就會形成綠色的團塊。

這些團塊會吸收當時在水中漂蕩的各種成分，包括碳酸鈣和碳酸鎂之類的礦物質，以及其他死亡的微生物而變得愈來愈稠密。

自始至終，這些活生生的藍綠菌能夠藉由黏質滑動，往有陽光的海面移動，並持續增殖。

註解：最早進行光合作用的生物並不會造氧氣，它們以紫色的色素吸收近紅外線，從含硫化合物中取得電子，把細小的純硫顆粒當成廢棄物排出。

它們沒有如同近親藍綠菌那般昌盛，但是依然能夠在現在無氧的水中續存。

——本文摘自泛科學2020年1月選書《藻的祕密：誰讓氧氣出現？誰在海邊下毒？誰緩解了飢荒？從生物學、飲食文化、新興工業到環保議題，揭開藻類對人類的影響、傷害與拯救》，2019年12月，臉譜出版 我要跟泛科學說「　　　」！參加泛科學網站體驗調查，提供意見還能拿禮卷！如何打造科學家的房間！科學實驗室EP.6—會動的AR繪本利用阿基米德浮力原理，當玻璃小球浮起時測量氣溫～伽利略溫度計交換禮物大賞！QUALY醉愛北極熊酒瓶塞數學好無聊、不實用，到底為什麼要學數學？給大人玩的理財桌遊，從此航向財富自由！交換禮物首選、推理迷必買！台灣推理作家協會20週年限定週邊相關標籤：化學自營生物古代地球古菌單細胞生物單細胞細菌固氮生物微生物極端環境異型細胞紫外線臭氧層藍綠菌藻的祕密閃電黏質熱門標籤：量子電腦BNT疫苗珊瑚諾貝爾獎前列腺文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論臉譜出版52篇文章・ 239位粉絲＋追蹤臉譜出版有著多種樣貌—商業。

文學。

人文。

科普。

藝術。

生活。

希望每個人都能找到他要的書，每本書都能找到讀它的人，讀書可以僅是一種樂趣，甚或一個最尋常的生活習慣。

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今年，《Science》雜誌評選的「年度十大科學突破」橫跨眾多領域，包括AI、天文、物理、生物、醫學，以及備受矚目的能源議題，趕快來看看究竟是哪十項突破吧！文／劉品萱本文編譯自《Science’s2021BreakthroughoftheYear:AIbringsproteinstructurestoall》十大突破之首——利用AI預測蛋白質結構AI預測兩種蛋白質如何在酵母菌中形成參與修復DNA的複合物。

圖／SCIENCE蛋白質是組成生物體不可或缺的分子。

在1950年代，科學家透過分析X射線繪製蛋白質結構。

然而，既有的方法在繪製成本上過於高昂，往往得耗費數年時間，因此在1970年代，科學家開始運用計算機建模，預測蛋白質的折疊方式。

直到2018年，Google旗下的DeepMind團隊開發了AI軟體「阿爾法摺疊」（AlphaFold），使得該領域研究取得突破性進展。

多虧這項AI技術，科學家得以精準、快速、大量繪製蛋白質結構。

今年7月，DeepMind團隊宣布他們成功分析了350,000種人體蛋白質，佔所有已知人體蛋白質的44%，更預計在明年發布所有已知物種的蛋白質結構，約莫1億個。

團隊也正在進行更進一步的研究，預測這些蛋白質如何在生物體內相互作用，用來製作新型抗病毒藥物。

在這COVID-19肆虐的大疫之年，科學家更利用阿爾法摺疊模擬Omicron變種病毒，研究棘蛋白突變帶來的影響，試圖找出中和抗體失效的原因。

AI預測蛋白質結構的技術不僅徹底革新分子生物學領域，也勢必在醫學領域大放異彩！延伸閱讀：AI預測蛋白質結構贏過科學家，科學家也要失業了？才不會呢！探勘古代洞穴，解鎖DNA寶庫在墨西哥Chiquihuite洞穴記錄沉積物樣本的研究員。

圖／SCIENCE誰說沒有化石就不能研究古生物？科學家今年踏足古代洞穴，採集土壤裡的人類細胞核DNA，藉此重建古代生態系，釐清世界各地穴居人的身份。

在美國，Satsurblia洞穴存有尼安德塔人未知譜系的女性DNA；在西班牙，Estatuas洞穴中的土壤DNA揭露8萬至11.3萬年前人類的遺傳特徵，證實在10萬年前的冰河時期結束後，某個尼安德塔人譜系取代了其他眾多人類譜系。

除了人類以外，這種研究方法還可以運用在其他生物上，比如在墨西哥Chiquihuite洞穴中，有研究員採集到1.2萬年前的黑熊DNA。

與現代熊DNA比對後，科學家發現黑熊在上個冰河時期結束後，向北遷徙到阿拉斯加。

延伸閱讀：沒有化石沒關係，從泥土也能取得尼安德塔人DNA！「核融合反應」的歷史性突破192道雷射光聚在微小的燃料芯塊周圍，準備進行融合反應。

圖／SCIENCE太陽之所以能發光發熱，供給地球能量，都要歸功於太陽內部不斷進行著的核融合反應。

長期以來，科學家為了解決地球能源不足的問題，不斷嘗試人工進行核融合反應，可是要達到足夠產生融合反應的壓力和溫度非常困難（請參考：融合能量增益因子／維基百科）。

今年，美國國家點火設施（NIF）運用1.9兆焦耳的雷射脈衝，壓縮胡椒粒大小的氘（氫的同位素），產出1.35兆焦耳的能量，遠高於先前實驗獲得的17萬焦耳。

目前，NIF仍持續進行實驗，試圖藉由更換燃料或調整雷射脈衝數值來提高能量產出，找出能夠最大化能量轉換比例的組合。

未來，或許融合反應能夠成為供給地球能源的主流方法！延伸閱讀：托克馬克反應爐：地球上創造的人造太陽——成功大學電漿所向克強教授專訪COVID-19口服藥「莫納皮拉韋」問世默克藥廠研發的COVID-19口服藥「莫納皮拉韋」。

圖／SCIENCECOVID-19口服藥終於問世啦！今年秋季，美國默克（Merck）藥廠發布數據，證明其研發的COVID-19口服藥「莫納皮拉韋」（Molnupiravir）可將未接種疫苗者的重症和死亡率降低30%；如果在出現症狀的3日內服用輝瑞開發的口服藥PF-07321332，則可降低89%住院率。

雖然口服藥無法取代疫苗接種，卻扮演非常關鍵的角色。

若是Omicron變異株造成大量突破性感染，或許口服藥就能接棒，防堵病毒擴散。

延伸閱讀：新冠口服藥即將問世！——為何它不能取代疫苗？嗑完藥就好棒棒嗎？創傷後壓力症候群的新興療法——搖頭丸正在進行MDMA治療的創傷後壓力症候群患者。

圖／SCIENCE什麼？搖頭丸還能治病？沒錯！這份發表在《NatureMedicine》的研究證實搖頭丸的主要成分「3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺」（MDMA）可以減輕創傷後壓力症候群（PTSD）患者的症狀，而且效果十分顯著。

該研究將76名受試者分成MDMA組和安慰劑組，接受3次療程，發現MDMA組有67%的病患試後不再符合PTSD的診斷標準，而安慰劑組僅有32%。

可是這項結果也引起了對於雙盲實驗的質疑，因為試後有高達90%的受試者表示他們其實知道自己的組別，這可能大幅影響症狀改善的機率。

目前正在進行更大型的實驗，若實驗結果確定MDMA能治療PTSD，預計將在2023年提交美國食品藥物管理局（FDA）批准上市。

延伸閱讀：美國狙擊手：淺談創傷後壓力症候群延伸閱讀：自己真的不夠好嗎？——長期被否定下的「複雜性創傷後壓力症候群」開發單株抗體，對抗各類傳染性疾病單株抗體（紅色和藍色）對抗COVID-19病毒（紫色球狀物）假想圖。

圖／SCIENCE單株抗體（mAb，簡稱單抗）是融合腫瘤細胞與免疫細胞製造而成的人工抗體，不但有腫瘤細胞不斷分裂的能力，也有免疫細胞產生抗體的能力——簡單來說，單抗可以大量製造相同的抗體，更有效地打擊病毒。

除了往年的伊波拉病毒、炭疽病、狂犬病單抗以外，今年也順利合成了瘧疾、愛滋病和呼吸道合胞病毒（RSV）的單抗。

目前，科學家正在積極開發更多種類的單抗，首要目標是打擊流感、茲卡病毒和巨細胞病毒（CMV），使得這項新技術有望成為打擊傳染病的「標配」。

延伸閱讀：「Delta變種病毒」對中和抗體的敏感度降低，那會影響疫苗保護力嗎？「洞察號」揭密火星內部結構地震波顯示火星有一層薄薄的地殼、地函和液態核心。

圖／SCIENCE自2018年「洞察號」（InSight）登陸火星至今，科學家蒐集35筆地震數據，藉以估計火星的地殼厚度、地函結構和地核大小。

今年的數據分析結果出爐後，發現這顆紅色行星的平均地殼厚度不到40公里，地函非常淺，而且只有一層（不像地球有上、下兩層地函），地核特別巨大，佔了火星體積一半，主要組成元素是低密度的液態鐵和液態鎳，以及硫、氧、碳和氫等較輕元素。

這是人類首次使用地震數據探測其他行星的內部結構，也是探索神秘火星的一大步。

延伸閱讀：「洞察號」成功登陸火星，NASA展開深度探索延伸閱讀：風聲、手臂聲、地震聲？洞察號在火星上聽到的震波訊號代表了什麼？改寫粒子物理學模型的繆子實驗繆子在美國費米實驗室的磁場中旋轉。

圖／SCIENCE在1960年代，粒子物理學家提出理論解釋強核力、弱核力和電磁力，這三種理論被稱為標準模型。

然而，科學家今年發現「繆子」（Muon）——一種比電子更重、更不穩定的粒子——其實際測得的g值（自旋角動量與磁性大小之間的關係）比標準模型所預測的還要大，且兩者的誤差範圍沒有交集。

目前，眾多科學家正在美國費米實驗室（FNAL）進一步分析實驗數據。

假如繆子實驗沒有任何閃失，這樣的結果將撼動物理學界，徹底改寫擁有50年歷史的標準模型。

延伸閱讀：物理學又出現裂縫？！Muong-2實驗結果與「標準模型」的預測不符CRISPR基因編輯——確實能在體內發揮療效！RNA（藍色）將DNA切割酶（白色）引導至目標（橙色）。

圖／SCIENCE去年，科學家運用CRISPR基因編輯技術，在實驗室修改造血幹細胞，治癒鐮刀型貧血和乙型（β型）地中海貧血。

今年，科學家更大膽了，直接在人體內部署CRISPR！研究結果顯示，這種基因編輯技術可以有效減少一種有毒的肝臟蛋白質數量，甚至改善遺傳性失明患者的視力，讓兩名幾乎完全失明的患者能夠感覺到光線，並且在昏暗的光線下避開障礙物。

延伸閱讀：人體基因編輯是在編什麼？五分鐘搞懂基因神剪CRISPR延伸閱讀：【快訊】生命密碼的剪刀手！CRISPR/Cas9──2020諾貝爾化學獎體外胚胎培養——研究生命體早期發育歷程在罐中成長的小鼠胚胎可以幫助科學家更了解人類發育的早期階段。

圖／SCIENCE透過研究胚胎，科學家得以找出先天性缺陷和流產的原因，但礙於倫理學和法律規範，目前對於體外胚胎培養的了解並不多。

今年，有團隊利用誘導性多能幹細胞（Inducedpluripotentstemcell，簡稱iPS細胞）成功複製人類的囊胚（受精後準備孵化及著床的胚胎），另外有團隊發現皮膚細胞經iPS細胞誘導、轉化後，也可以產生類似囊胚的結構，作為體外胚胎實驗的替代品。

延伸閱讀：著床即開啟的恆久忍耐：胚胎如何逃過母體免疫系統追殺？除了十大科學突破以外……《SCIENCE》今年也特別列出三項影響科學發展的重大阻礙，包括難解的氣候議題、備受爭議的癌症新藥，以及在疫情之下遭受猛烈砲火抨擊的科學家。

越來越熱！減碳目標恐難以達成這座位於德國博克斯貝格（Boxberg）的燃煤電廠預計2038年才會關閉。

圖／SCIENCE自從工業革命以來，全球氣溫升幅達到了1.2°C，近年極端氣候事件更是層出不窮。

對此，今年的聯合國氣候變遷大會（COP26）達成多項協議，包括將全球氣溫升幅限制在1.5°C以內、確立碳交易市場架構，以及減少碳排放量。

然而，全球經濟現在依然大幅仰賴化石燃料，況且聯合國協議不具約束力，是否能達成減碳目標，必須取決於各國政策制訂。

延伸閱讀：IPCC報告揭示全球氣候危機，解方是：2050年溫室氣體零排放——《科學月刊》充滿爭議的阿茲海默症新藥「Aduhelm」正子斷層掃描（PET）顯示Aduhelm能有效清除β類澱粉蛋白斑塊。

圖／SCIENCE美國食品藥物管理局（FDA）近20年來首次核准阿茲海默症藥物，即百健（Biogen）藥廠開發的Aduhelm。

經臨床實驗證實，這種藥物能清除異常堆積在患者腦內的「β類澱粉蛋白斑塊」，也就是失智症發病和惡化的原因。

照理說，這是患者和家屬期盼以久的好消息，卻被不少大型醫院和醫學中心拒絕採用，因為在兩項大型臨床實驗中，只有一項實驗證明其改善認知功能的療效勝過安慰劑，卻沒有證據顯示Aduhelm有顯著的改善效果。

延伸閱讀：阿茲海默症新藥Aduhelm，為阿茲海默治療帶來更多可能？當疫情碰上政治形態——夾縫中求生存的科學家比利時病毒學家範蘭斯特（MarcVanRanst）收到來自極右派狙擊手柯寧斯（JürgenConings）的死亡威脅後躲避自保。

圖／SCIENCE長期以來，科學家遭受攻擊的事件層出不窮，但在今年，對於COVID-19的政治分歧引發大眾對科學家前所未有的敵意，包括各種形式的恐嚇、抗議和死亡威脅。

遭受威脅的有美國首席防疫專家佛奇（AnthonyFauci）、英國首席醫療官惠提（ChrisWhitty），以及世界各地的學者和防疫工作者。

《Nature》訪問321名研究人員，發現有超過50%的人信譽受到攻擊，15%的人收到死亡威脅，甚至有許多人從此辭去他們熱愛的研究工作。

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並非給失去全部家當的失主播放一部影片就能召喚回來遺失的物品，想要裝裝樣子對人民應付了事，請改行去做街頭藝人謝謝。

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