蓝藻——光合作用之先行者
我们不得不承认,数十亿年前选择了光能作为能量来源的生物无疑是“明智”的。从科学的角度来看,光能比较活跃,不需要太过苛刻的条件就能加以利用。
同时,由于光能的覆盖面几乎能够达到地球的每个角落,因此依靠光能生活的生命体就不会像嗜热菌之类的生物一样被局限在诸如火山口、地热泉之类的特定环境生存。最重要的是,稳定且数量庞大的光能能够为一个族群长期的繁衍和进化提供源源不断的动力,不会因为能源的枯竭而导致种群的灭亡。
1773年,英国科学家普利斯特利做了一个有名的实验,他把一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分别放到密闭的玻璃罩里,蜡烛不久就熄灭了,小白鼠很快也死了。接着,他把一盆植物和一支点燃的蜡烛一同放到一个密闭的玻璃罩里,他发现植物能够长时间地活着,蜡烛也没有熄灭。他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到一个密闭的玻璃罩里。他发现植物和小白鼠都能够正常地活着,于是,他得出了结论:植物能够更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊了的空气。
1864年,德国的萨克斯发现光合作用产生淀粉。
1880年,美国的恩格尔曼发现叶绿体是进行光合作用的场所。
1897年,首次在教科书中将植物体转化光能为化学能的过程称为光合作用。
光合作用让我们来看一看当年光合作用“发明者”的后裔吧。
蓝藻也叫蓝绿藻,属于藻类中的蓝藻门,它是藻类植物中最简单、低级的一门,在世界各地都能找到这种或丝状或串珠形或球状的生物,其中球状体和串珠形属于蓝藻门中的色球藻目,串珠形的外表不过是因为大量球状的色球藻生活在一起,而丝状的个体则是蓝藻门的藻殖段目生物。
除了蓝藻门,藻类中的其他4门细菌也都能进行光合作用,而且每一门都有各自不同的基因用来控制生产光合色素从而进行光合作用。
然而只有蓝藻拥有全部100种基因,并且其中许多是蓝藻独有的。这意味着蓝藻“继承”了祖先遗留下来的大多数光合作用基因。它应该是跟最早进行光合作用的生物体比较接近的。
感谢蓝藻的祖先,在它演化出光合作用能力之后,地球逐渐开始向今天这个欣欣向荣的模式发展。
蓝藻大约出现在35亿年前,现在已知1500多种,分布十分广泛,遍及各种地理环境,但主要还是生长于淡水水域。有不少蓝藻可以直接固定大气中的氮,这样一来,土壤中的养分可以被极大丰富,有利于作物的增产;有的蓝藻还成为了人们的食品,如着名的发菜和普通念珠藻(地木耳)等,它们就属于蓝藻门中的不同品种。
但在一些营养丰富的水体中,有些蓝藻常于夏季大量繁殖,并在水面形成一层蓝绿色而有腥臭味的浮沫,这就是环境杀手——水华,更为可怕的是有些蓝藻还会产生一些毒素破坏水质,对鱼类等水生动物,以及人、畜均有很大危害,严重时还会造成鱼类的大量死亡。
蓝藻过量地生长会造成水华,会对水生生物造成巨大危害。
蓝藻在进化出“光合作用”能力之后,开始制造氧气,并且在身体中积累了光合作用的“副产品”——碳水化合物。对于许多靠摄取外部营养生存的生物来说,碳水化合物无疑是一种“美味佳肴”。于是乎,一大批“捕食者”开始了疯狂的“碳水化合物探寻之旅”。最原始的生物并没有牙齿,它们进食的方式就是一口把猎物吞进肚子里,然后再慢慢把猎物通过体内的一些类似于“胃液”的东西消化掉。这与蛇的进食方式非常相似,蛇虽然有牙齿,但它们牙齿的作用并不是把猎物嚼碎,而仅仅是向猎物体内注射毒液以制服猎物用的。
这些“吞噬者”把蓝藻吞到肚中后,本来准备慢慢享用这顿美餐,谁知蓝藻福大命大,不但没有死,反而在这些吞噬者的肚子里安了家。
然而,“吞噬者”和“被吞噬者”并不“满足于”这种简单的“共生”,随着进化的不断深入,“被吞噬者”干脆将自己的下一代“顺便”放到“吞噬者”的后代中。如此一来,当“吞噬者”在繁殖后代的时候,“被吞噬者”的后代也就顺势进入“吞噬者”的子孙体内了。这样,二者就形成了“生生世世永不分离”的关系。于是,“吞噬者”的后代身体里就有了一个能够进行光合作用的“新器官”,而这个新器官也就是今天我们所熟知的“叶绿体”。
藻类——初见叶绿体
藻类在形态、构造上面有相当大的差别,例如小球藻,其外形呈圆球状,仅仅由一个细胞构成,直径也只有几微米;相比之下,生活在海洋里的巨藻,结构十分复杂,体长70~80米,最长可以达到200米以上。然而,尽管藻类植物个体的结构繁简不一,大小悬殊,但多数都没有真正根、茎、叶的分化。有些大型藻类,如海产的海带、淡水的轮藻,在外形上虽然也可以把它分为根、茎、叶三部分,但体内并没有高等植物用来运输养料的“管道”——维管系统,所以都不是真正的根、茎、叶,因此,藻类并不能被归为高等植物。然而叶绿体已经在其中产生,只需要进化出其他一些功能和器官便可以成为高等植物了。
今天,生存在地球上的动物以及数量相当庞大的微生物都在进行着“呼吸作用”。而“呼吸作用”必备的两个条件——氧和碳水化合物,则是由“光合作用者”负责制造。这些“光合作用者”是生命生存的基础,几乎提供了这个世界上生物所需的全部能量。我们今天所吃的粮食、水果、蔬菜等,都是来自“光合作用者”,甚至我们吃的肉类、蛋类也都是来自被“光合作用者”养活的生物;因此,这些“光合作用者”被我们称为“初级生产者”。
在一些海域,每到夜晚人们便会经常看到一片片乳白色或蓝绿色的“火光”,一些迷信的人们认为这是“海妖”奉了“龙王”的指示前来讨命的,于是连忙设祭祷告……实际上,这些“火光”是由于大量会发光的浮游生物紧密地聚集在一起而形成的。常在这些区域捕鱼的渔民们把这种生物光叫做“海火”。发光的海洋植物,主要是一类叫做“甲藻”的生物,虽然甲藻体形很小,只有借助显微镜才能看到它们的真身,但是如果数量巨大、又集群地生活在一起时,它们就能够发出十分明亮的光来。“海火”主要就是由这些会发光的甲藻形成的。
“海火”还是渔民寻找鱼群的重要线索,在发生强烈的“海火”的地方必然浮游生物密集,那里往往有较大的鱼群出没。在军事上也记载过根据敌舰在夜航时扬起的“海火”发现和跟踪敌人,因而大破敌军的战例。
甲藻门生物体在全世界约有130属,1000多种。多数为海产种类,少数产于淡水及半咸水水体中。我国常见的淡水种类有4个属15种,少数采取共生或寄生的生活方式。甲藻门生物多分布于温暖水域中,而在寒冷水体中能够存活的较少。该门生物中在海洋生活的生物体种类的形态变化较大,但是仍然具有一些共性:植物体除少数为丝状或球状类型外,大多数为具鞭毛的单细胞游动种类。其中纵裂甲藻纲的细胞壁由2片组成,横裂甲藻纲由横沟(或称腰带)把细胞分成上、下两部分,分别称为上锥部和下锥部。壳体或为整块,但多数是由若干多角形的板甲藻——昼为“赤潮”,夜为“海火”片组成,板片的数目和排列方式是分类的主要依据;在细胞腹面具与横沟垂直而向后端延伸的纵沟。甲藻门生物的鞭毛多为2条,多为顶生或从横沟与纵沟相交处各自的鞭毛孔伸出。横鞭毛带状,环绕在横沟内,纵鞭毛线状,沿纵沟向后伸出。
渔民们常说“赤潮过处,鱼虾难留”,那是因为甲藻门生物会分泌出毒素,处于有毒赤潮区域内的鱼、贝类,摄食这些有毒生物,虽不能被毒死,但生物毒素可在体内积累,毒素含量大大超过其耐受的水平。
这些鱼虾、贝类如果不慎被人食用,就会引起人体中毒,严重时可导致死亡。
由赤潮引发的赤潮毒素统称“贝毒”,目前确定有10余种贝毒的毒性比眼镜蛇毒素高80倍,比一般的麻醉剂,如普鲁卡因、可卡因强10万多倍。“贝毒”中毒症状为:初期唇舌麻木,然后发展到四肢麻木,并伴有头晕、恶心、胸闷、站立不稳、腹痛、呕吐等,严重者出现昏迷、呼吸困难。
在20世纪60年代,一批中国科考工作者在珠穆朗玛峰地区进行实地考察。当他们进行发掘地层、研究地理情况的工作时,偶然发现了一种名叫小石孔藻的珊瑚藻化石。
奇怪的是,这种只能生长在热带或亚热带海域中的藻类生物,为什么会出现在珠峰上呢?
难道说在数亿年前的热带或亚热带地区就已经存在珊瑚藻了?同时被热爱海藻装饰、旅游以及登山这三项活动的智慧生物巧合地把它的“珊瑚藻项链”遗失在了珠峰上?
经过科学家们的研究论证认为:现在的珠峰地区曾经是一片汪洋,气候湿润,小鱼海里游,花草水边长,生机勃勃。然而后来印度板块向这里漂来,发生碰撞,就撞出了包括珠穆朗玛峰在内的喜玛拉雅山脉,并且他们认为世界许多高大的山脉都是因为板块间的碰撞产生的。
珊瑚藻按照生物分类学的划分来讲是属于红藻中的珊瑚藻科,大多生活在温暖的海洋中。藻体短小且丛生,底端一般都是固定在鹿角珊瑚礁上或浅海的岩穴内。
珊瑚藻——与珊瑚共舞
珊瑚藻的分枝数次重复分叉,外形呈现为羽状;枝扁平,有明显的分节,同时因为体内含钙质较多,所以粗糙而坚硬。
珊瑚藻在我国青岛、舟山等地都有分布。值得注意的是,当它们出现在高山、陆地时,则意味着它们已停止了生命活动,成了化石。同时会失去色彩,完全变成一块石头。只有在海洋里,才会出现这样的奇迹:有些活着的“石头”能在海水里生长、繁殖、死亡,走完生命过程的每一环节。
珊瑚藻除了具有进行光合作用的叶绿素外,还有红藻的藻红素,这样,它们就因为体内所含的色素不同,而呈现出绿、红、紫等美丽的颜色。这样,它们应该是属于低等植物的藻类。珊瑚藻是属于真红藻亚纲隐丝藻目中最丰富、种类最多的一个科,叫“珊瑚藻科”。
在热带、亚热带海域,珊瑚藻或同珊瑚虫协作,或独立地建造起珊瑚礁。特别是皮壳状的珊瑚藻,它们从南沙群岛到西沙群岛,从马绍尔群岛到所罗门群岛,建造起了壮观的“海藻脊”。珊瑚藻喜欢在波涛汹涌的礁缘上生长,在海面时隐时现,不断繁殖,扩展自己的藻体。
人们关于珊瑚藻对人体的功用研究得并不多。《本草纲目》中记述了一种叫做“海浮石”的植物,它们是由岩石、珊瑚虫体、还有一部分珊瑚藻组成。书中说它有止咳、清心降火、消积块、化老痰、清瘤瘿结核疝气、下气、消疮肿等功效。山东黄县桑岛产的“海浮石”就属于皮壳状珊瑚藻,主要是石枝藻属一类。年产量仅有5000多千克,十分珍贵。
珊瑚藻的钙化藻体不像那些非钙化的藻类被地质变化消灭得无影无踪,而能够在漫长的地质年代变迁中保存着自己的面目——化石,具有生物学和地质学研究的价值。它对于开发石油资源,发现大型海相碳酸盐型油田有重大的意义。