考察光合作用之前的世界

数十亿年前，一个藻青菌分解了一个水分子，这犹如打开了潘多拉之盒，把毁灭和死亡带给了世界。因为这个微生物所完成的不是别的，正是光合作用。光合作用分解水，释放氧气，而对于地球上早期无氧呼吸的居民来说，氧气无异于毒气。

可是有的东西对别人是毒药，对我们却是香膏。动物，包括我们人类，须臾都离不开氧气，倘若没有光合作用，地球上也就不会有高级生命。对一种于我们如此攸关的生命活动，花点时间考察一下光合作用之前的世界总不为过吧。

谁在帮助锰氧化?

光合作用是用光和电子来产生能量，从而为有机体提供动力的。就现代的光合作用而言，电子来自水分子，氧气是这一过程的副产品。但这并不是说，光合作用一开始出现就如此的。比如说，光合作用大约是在34亿年前出现在地球上的，但并没有迹象表明，那个时候就已经有氧气产生了。所以有些科学家猜测，最早的光合作用很可能是靠分解别的物质，譬如说二氧化硫，而不是水，来获得电子的。

但到了大约24亿年前，这一情况发生了变化。这一时期地质层中沉积的大量氧化物矿物告诉我们，此时氧气开始在大气中积聚起来，所以，光合作用直到这个时候才进化出现代的形式，即靠分解水来获得电子。

那么这一过程是如何实现的?换句话说，早期的光合作用是如何找到水这一替代物的?

为了搞清楚这一问题，美国地质学家伍德沃德·费歇尔和他的同事考察了南非的一些岩石。这些岩石形成于大约24亿年前，形成的时间正好处于地球环境大转折——以分解水、释放氧气为特征的现代光合作用出现的前夕。研究表明，尽管这些岩石是在无氧的环境下形成的，但令人匪夷所思的是，岩石里的锰元素却都以氧化物的形式存在。

从化学中了解到，在大气中缺少氧气的情况下，金属锰需要一些催化剂才能形成氧化物，换句话说，没有一点别人的帮助，这个反应就不可能发生。那么帮助锰氧化的是谁呢?

光合作用也在进化

费歇尔提出一个大胆的猜想：这个帮手就是无氧呼吸同时又进行光合作用的有机生命!但这种生命的光合作用有点奇怪，电子“采自”金属锰。锰失去电子之后变成离子，而锰离子是不稳定的，很快会跟周围的水反应生成锰的氧化物。这样，在大气缺氧的情况下，通过这种方式也可以形成锰的氧化物。

这个猜想可谓石破天惊，因为现代的光合作用是从水中获得电子的，而猜想中提到的光合作用却是从锰那儿获得电子的。水和锰是多么不一样的东西啊!可是，偏偏有很多证据表明这一猜测很可能是对的。

譬如说，我们仔细考察今天的植物就会发现，锰的氧化依然是光合作用必不可少的一个环节。在植物的叶绿体中，有着很多含锰的催化剂。在催化过程中，它们先为光合作用提供电子，然后又从周围的水中把电子“捞回”来，从而恢复原形(这正是催化剂的本意，它虽参与化学反应，但反应一完，就恢复原形)。而正是在这些含锰催化剂从水分子中夺取电子的过程中，水被分解了，产生了我们呼吸的氧气。

所以进化史上发生的事情可能是这样：早期的一些细菌以锰为能源进行光合作用，但因为锰是一种相对比较稀缺的资源，不可能在任何地方都能找到，所以后来它们就进化出了一种不同的策略。它们干脆把锰“整合”到自己的叶绿体内(也就是叶绿体中那些含锰催化剂)，当作可随身携带、不断充电的“电池”。这个“电池”一边为光合作用消耗掉电子，一边又从环境中别的、更富足的物质中“抢夺”电子。这个更富足的物质就是水。