光合作用起源假说

关于光合作用的起源假说，天体物理学家认为，早期地球是宇宙中的一颗紫色行星，因为在当时的大气物理条件下，古微生物进化出了一种称为视网膜的光敏分子来吸收太阳光，而不是叶绿素，结果生物只吸收绿光并反射红蓝光。生物群体具有紫色的外观是地球早期的生命表现。这个理论的直接证据是美国旧金山湾附近的紫红色盐湖，这个盐湖存在着粉红的嗜盐古菌微生物，这些微生物依靠视网膜的光敏分子吸收绿光。科学家研究发现他们是早期地球生物中的古细菌后代，这些古细菌后代进化出较强的抗氧化能力而得以存活下来，嗜盐古细菌导致这个地方的地理外貌与其他地方有明显的区别。

地球是从海洋开始出现生物，生物可将火山喷发的无机物硫化氢等物质转化为有机物，为其生存提供能量。当时，适应这种生存方式的主要有两种细胞：真细菌和古细菌，它们是自然界中两个最大的微生物群体。

当海洋中的火山活动减缓后，依靠火山能量生存的生物开始把能源需求转向太阳光，而古细菌进化合成了特殊分子：视网膜的光敏分子，也称紫色膜，紫色膜与动物视网膜上的视紫红质相似（紫色膜含有重要的化合物——视黄醛），紫色膜可以从绿光中获取能量，不需要红光与蓝光，紫色膜的结构比叶绿素简单，在地球早期的低氧环境中更容易生存；紫色膜的出现是导致光合作用出现的重要转折点。

古细菌演化是用紫色膜把太阳光中能量最丰富的绿光用来维持自己生存，紫色膜本身只吸收阳光的绿光成分，反射出红蓝光，所以这些古菌群体外表看上去是紫色。由于生存策略符合当时的地球环境，这些古菌迅速在地球繁衍，科学家推断，那时的地球可能是紫色星球。

真细菌在海底火山活动减少时也被迫转向利用太阳光能，但是古细菌覆盖着整个地球表面，阳光中的绿光被古细菌吸收，阳光透过古细菌，到达下面的真细菌层的只有蓝光与红光的能量。(https://www.daowen.com)

神奇的是，真细菌进化出卟啉，卟啉也被称作紫质，其结构为卟吩，而卟吩是构成叶绿素的重要成分，由于能够到达真细菌层的绿光成分很少，卟啉对光能的吸收策略只能是吸收红蓝光、不去吸收绿光，蓝藻的光合作用系统与高等植物中的叶绿体中的系统不同，但转化光能的机理相同。

有了吸收光能的能力，光合作用还缺乏重要的有机物合成元素——氢。氢是构成生命营养物质的重要元素，氢是合成有机物必需的原子。地球早期地表的古细菌可以从硫化氢获得氢原子，将氢元素与碳元素结合来制造有机物，供细菌生存。那么依靠光合作用的真细菌所需要的氢元素从哪里来呢？真细菌逐步进化为蓝藻，蓝藻进化出非常复杂的光合作用系统，在古细菌下面的蓝藻把氢元素的获取转向地表资源最多的水分子，利用光能把水分子分解为氢原子，并释放氧气，从此光合作用在资源上进化出优异的底层结构，且开始了漫长的生物进化历程。当时地球大气中氧气很少，空气中弥漫着硫化氢与甲烷，不适合蓝藻的大量繁殖，但蓝藻可以释放氧气，而氧气可以与大气中的硫化氢反应形成硫酸盐而下沉到地表，氧气还可以氧化甲烷，这个氧化过程逐步地降低空气中的硫化氢与甲烷含量，使得氧气含量升高，外部环境的改善促使蓝藻不断壮大。

蓝藻使得空气中的氧气浓度开始升高，高浓度的氧气可以氧化一切有机物，高浓度的氧气演绎了生态史上的大氧化事件，氧气给古细菌带来被氧化的灾难，光合作用还消耗了空气中的二氧化碳，甲烷与二氧化碳的减少破坏了大气的温室效应，在24亿年前，地球的火山活动也刚好进入低谷期，地球气温暴跌，进入地球诞生以来最猛烈的全球变冷，史称“休伦冰河期”。

经过3亿年的冰河期后，地表的古细菌基本死亡，死亡后的古细菌成为今天我们看到的层叠石的化石，古细菌退出了历史舞台，失去古细菌对能源的争夺后，蓝藻才有机会称霸地球。另一个有利条件是蓝藻从开始就适应有氧气环境，并进化出有氧呼吸的能力，光合作用与呼吸作用逐步平衡着大气生态，地球上迎来了蓝藻时代。蓝藻进化出的光合作用，从生物基本结构上就无法利用绿光，也就是光合作用是在低绿光能量的前提下被胁迫进化，光合作用构成今天我们都认为违反能量吸收规律的绿色世界。从太阳获取了源源不断的光能，从地球上储量最丰富的水资源中获得大量氢元素，从到处都有的二氧化碳获得碳元素，生物的光合作用与呼吸作用刚好平衡着地球上的大气条件，而光合作用释放的氧气又为地球生物的安全生存构建了一道高空屏障——臭氧层。臭氧层是一个重要的生物生存条件，臭氧层是太阳光的高能紫外线UVC与大气中的氧气一起构建了生物生态保护系统。地球初始时，地球大气无法阻挡高能光子UVC，UVC可以到达地表，UVC可以把空气中的水分子和地表的水光解为氢气和氧气，如果没有限制，UVC最终会消耗掉地球的水资源。UVC光解后的氢气可以摆脱地球引力进入外太空，而氧气被留在大气中，同时，太阳光的UVC还可以直接光解大气顶层的氧气为臭氧，逐步形成大气的臭氧层，越来越浓厚的臭氧反过来阻挡UVC进入地球表面。由于臭氧层的保护，适应光合作用而生存的生物最终覆盖地球，为整个地球生命系统提供生存环境。

光合作用以其高效合理的方式利用着太阳光，加之臭氧层的有效保护，所构建的地球生态堪称为神奇，生物避开了绿光吸收，也给地球的生态构建了生机勃勃的绿色生态环境，这个系统的构成堪称完美，至今科学家还在不断地研究背后的演化机理。