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甲烷,差一點毀滅地球

 這些魚的後代和很多二疊紀的生物一樣,沒能逃過二疊紀末的生物大滅絕。


這些魚的後代和很多二疊紀的生物一樣,沒能逃過二疊紀末的生物大滅絕。照片來源:維基百科

 二疊紀大滅絕事件

早在恐龍看見流星之前地球上的生物就遭遇過毀滅性的災難。古生代(Paleozoic era)的最後一段時間是二疊紀(Permian period),時間大約是距今約三億年前開始,一直到兩億五千萬年前。在從二疊紀到下一段時期中生代(Mesozoic era)的三疊紀(Triassic period)間,地球上發生了重大改變。海洋裡 96% 的物種滅絕,陸地上的脊椎動物也有 70% 從地球上消失(這是維基說的)。這是地球上最慘烈的一次生物大滅絕。是有顆大隕石打中地球了? 還是當時恐怖的火山持續大噴發? 不少研究嘗試還原當時的狀況找出滅絕的真相,但是真正的原因到現在還是不清楚。這篇 2014 年 4 月發表的研究結果對大滅絕的成因提出了新的看法,我們跟著作者的觀察來看看到底是怎麼回事。

化學上的線索

解謎的第一步先來看化學上的線索。過去的研究指出在這段時間內碳循環應該發生了很大的變化。這次參與這個研究的科學家們首先是做了碳的穩定同位素分析,看看這段時間裡含碳化合物的變化。他們從中國取得在大滅絶發生前一小段時間的地質樣本進行分析,發現這段時間內碳同位素比值的確發生變化,而且越接近大滅絶的時間看到的變動越快,甚至以超過等比級數的速度改變。他們推測當時有大量有機物被轉化為無機的二氧化碳,改變了碳同位素的比值。有機碳和無機碳的含量理應處在動態平衡的狀態。當時到底發生了什麼事,讓這個平衡被擾亂了?而且變化的速度還必須越來越快?

過去有人認為,二疊紀末期的火山活動長達數千年,火山爆發時從地底衝出大量二氧化碳可能就是造成碳循環改變的主因。不過如果真的是火山帶來的改變,這改變應該隨著噴發的時間拉長,地底壓力降低了而慢慢變小,而不是快速增加。另一個可能,是地球升溫,造成海底甲烷冰融化釋出大量甲烷。不過海底來的甲烷也應該會在高峰後釋放量逐漸下降。那到底當時發生了什麼事,能造成越來越強的碳變動?

要越來越強的反應,生物裡有。像是子宮收縮時的正向廻饋機制,以及族群裡個體數量的增加。對了,個體數量的增加,難道這是某種生物增加後看到的代謝反應?

甲烷是不是造成生物大滅絶的兇手?

那來看看甲烷是不是兇手好了。甲烷可能的來源除了來自地底的地質化學變化,還可以來自古菌的代謝反應。這些能生成甲烷的古菌統稱甲烷菌(methanogen),是地球最早出現的住民之一。岔題一下,生過火烤過肉嗎? 木頭是來自植物的有機物,燃燒則是我們逼迫有機物和氧快速產生化學反應後的結果,這個化學反應放出很多能量,接著我們利用這能量來烤肉。我們的細胞會用很多酵素慢慢控制有機物跟氧化合時放出能量的速度,這樣才不會把自己給燒了。燒紅的木炭放出二氧化碳,我們在細胞裡生火,啊,應該是呼吸,也是放出二氧化碳。可是其它微生物釋放出來的東西不一定是二氧化碳,像酵母菌放出來的廢棄物就是酒精,而甲烷菌放出來的就是甲烷了。

是誰在吃兩億五千萬年前的醋?

目前已知的甲烷菌主要用兩種方法取得活下去需要的能量:一種使用氫氣為能源,結合二氧化碳後產生甲烷為代謝廢物;另一種跟人類一樣以有機物為能源,只不過它們利用的是醋酸,分解後一樣產生代謝廢物甲烷。現今利用醋酸為能源的甲烷菌又可以成兩大類群。第一群主要是 Methanosaetaceae 科的甲烷菌,擅長在醋酸少的環境裡搶醋酸,但是代謝方法的成本比較高。第二群是以 Methanosarcina 屬的甲烷菌,利用醋酸的效率比較高,一旦醋酸多的時候它就稱霸了。現今海洋裡醋酸不多,所以第一群的數量比第二群要高出許多。不過,在兩億五千萬年前會是什麼樣的狀況呢?

兩億五千萬年前的地球,氧氣比現在少,所以微生物用氧氣把有機物利用掉產生二氧化碳的速度也不高,所以大量來不及被利用掉的有機物就沉到了海底。這時給了厭氧細菌們大量的食物:有食物時為什麼不吃呢你說是吧。於是海洋裡的醋酸應該比現在多。這群研究人員懷疑在那個年代,因為醋酸多,養出了一群特別的甲烷菌。不過,我們可以經由挖出來的化石知道恐龍真的出現過,細菌那麼小又容易分解,是沒多少機會變成化石讓我們挖的啊。

當年的生存血淚史,都記錄在 DNA 上面了

不過,歷史是會記錄在生物身上的。就像小時候抄別人的作業不只是原作的每個字都照抄,還會附上自己不小心的錯誤。這些都一併轉給下一個借我作業去抄的同學,結果錯誤就隨著被抄了多少次而一版一版增加,你甚至可以從有多少錯誤猜出誰比較早抄,誰比較晚抄。

DNA 偶爾會在複製時發生突變,就像我們抄作業時偶爾會抄錯一兩個字一樣。突變會累積,永遠留在 DNA 裡面,讓我們可以像從有幾個抄錯的地方推算出這個生物到底在多久以前就出現在地球上。現在讓我們回來看看前面提的那兩群會利用醋酸的甲烷菌。這兩群裡效率高的那一群其實有個秘密:根據 DNA 序列比對分析結果,它們用來分解醋酸的基因其實是從吃植物纖維素的細菌那裡偷來的!而經過這群研究人員利用核糖體基因序列分析,仔細校正時間後,他們發現這樁竊案就剛好是發生在這場大滅絕之前!難道說就因為它們從別的細菌那裡偷到高效率產能技術,開心享用海底的醋酸,接著放出來的廢物甲烷就足以毀滅地球上大部份的生物了嗎?

慢著,這樣就可以毀滅地球了嗎?

別急,光靠這群甲烷菌還是沒辦法成氣候的。要產生這麼多甲烷,首先要能有足夠的酵素配置在甲烷菌裡頭努力工作才能達成。要生產這酵素,需要放個鎳當做酵素的核心。海水裡的鎳不多,根本無法支應生產這麼多酵素,除非有奇蹟發生。

而事情就是這麼湊巧。就在這段時間,西伯利亞的火山連續噴發了數千年,把大量的鎳送進海洋環境裡。這群研究人員調出中國的地質樣本分析當時的鎳含量,發現就在碳含量發生劇變時,海洋裡出現了大量的鎳。

目前拼湊出來的歷史

所以這故事成型了。二疊紀末期氧氣濃度持續走低,讓有機物在海洋環境堆積。一群古菌把握機會利用醋酸生長。它們剛從別的細菌得到高效率產能機器的DNA設計圖,西伯利亞的火山活動又讓海水裡充滿製造這機器的原料,於是這支甲烷菌軍隊成軍。它們新拿到的基因比其它甲烷菌都要好用,很快就讓它們成為優勢菌種,接著快速擴張勢力範圍。海底的醋酸供應源源不絶,它們的數量也就完全無限制地持續成長。它們代謝出來的甲烷向上浮,進入大氣,把大氣裡的氧氣消耗掉,可能就造成地球上生物大滅亡,成為地球生物史中最黑暗的一頁。到底這是不是大滅絶真正的原因?學術界過去數十年一直不停找出新證據來推測,而現在這個研究提供了一個新的想像空間。我們可以坐著期待下一個精彩的研究來挑戰這一個研究提出來的理論。

細菌和地球

地球上第一次因為細菌活動造成的大改變,是藍綠菌帶來的氧氣革命。它們的光合作用讓大氣裡充滿氧氣,把厭氧生物逼進了地底這些陰暗角落,造就了好氧生物的霸業。而甲烷菌的逆襲再次大規模改變地球上的生物種類。現在人類正在改造這個地球,而且造成的改變不輸火山。或許某個地方的細菌,正在蠢蠢欲動,靜待它們的時代來臨。

 

研究原文

Daniel H. Rothman, Gregory P. Fournier, Katherine L. French, Eric J. Alm, Edward A. Boyle, Changqun Cao, and Roger E. Summons (2014). Methanogenic burst in the end-Permian carbon cycle. PNAS doi:10.1073/pnas.1318106111

關於作者

陳俊堯

慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。