一 從水裏奪電子
你吸進去的每一口氧氣，都是從水裏拆出來的。1941 年，有人給水做上記號，換進一種較重的氧，交給一種綠藻去用，結果綠藻放出來的氧也帶着這個記號。
植物，藻類和藍細菌把水分子拆開，拿走裏面的電子，剩下的氧被當作廢物排進了空氣。今天的光合生物產氧極快，大約四千年，就能把大氣裏的氧全部換一遍。
可在很長的時間裏，地球大氣幾乎沒有氧。大約二十四億年前，氧才第一次顯著多了起來，地質學家管這件事叫大氧化事件。這一篇講的，就是這種廢物怎樣改寫了一整顆星球。
先說爲什麼要拆水。光合作用最難的一步不是採光，是找電子。光合作用要做的事，是把二氧化碳變成有機物，而這一步的本質，是給二氧化碳"加電子"。
二氧化碳裏的碳處在一種缺電子的狀態，而糖裏的碳處在一種富電子的狀態。要把前者變成後者，必須從某個地方弄來電子塞進去。所以任何光合作用都要回答同一個問題：電子從哪來。
光在這裏的作用不是提供電子，是提供把電子從某處拔出來所需的力氣。現存的不產氧光合細菌，拿電子的地方各不相同——硫化氫，單質硫，氫氣，二價鐵，或者某些有機物。它們很多是紫色或綠色的，有的能把一池水染成紫紅。
這些東西有一個共同點：它們本來就抓不緊自己的電子，拿走不需要多大力氣。水不是。水抓自己的電子抓得非常緊。把不同物質"願不願意交出電子"排成一列，水在最不願意的那一端附近，而硫化氫，二價鐵，氫氣，都排在容易得多的位置上。
可這些好拿的電子供體都不多，只在火山口，溫泉，冒硫化氫的地方纔有。誰要是學會了從水裏拿電子，就再也不愁原料：水到處都是。
靠硫化氫的細菌只能守着幾處泉眼，藍細菌卻可以漂滿整片海洋。藍細菌過去叫藍藻，夏天湖面上那層綠油油的水華，很多就是它們。
所以從硫化氫裏拿電子的光合細菌，和從水裏拿電子的藍細菌，做的不是難度相近的同一件事。藍細菌身上負責拆水的那套裝置，叫光系統二。它在一瞬間造出的搶電子的能力，是已知生物體系裏最強的一檔。而這還只是第一道坎。
第二道坎是數量。從兩個水分子裏抽出電子，放出一個氧氣分子，一共要抽走四個電子，同時還要放出四個質子，並且把兩個氧原子接成一個氧氣分子。而光子是一個一個來的，一次只能提供一份力氣。
這就像用一把只能撬一次的撬棍，去撬一件需要同時抬起四個角的東西。所以必須先攢。現代系統的辦法是分期付款：把四次光化學氧化逐次存儲在一個金屬簇上，攢夠四個，再一次性把氧氣釋放出來。
這件事最早是從一組閃光實驗裏看出來的。1969 年，法國的研究者把光合材料放在黑暗裏，然後一下一下地打很短的閃光，每閃一次，量一次放出多少氧。頭兩閃幾乎不出氧，第三閃出得最多，此後每隔四閃一個高峯——第七次，第十一次——峯越來越平。
次年，荷蘭出生的美國生物物理學家科克把它整理成一個逐級積累的循環，解釋了爲什麼需要連續四次光化學事件，才能完成一次從水到氧氣的轉變。研究者至今管它叫科克循環。
那個負責攢電荷的金屬簇，由四個錳，一個鈣和五個氧組成。它的樣子是分幾步看清楚的。2011 年，日本的研究者終於把它拍得足夠清楚：這十個原子搭成了一把歪扭的椅子。
後來又有人用極短的射線閃光，趕在它被射線打壞之前拍下了它，看它在攢電荷的各個階段怎樣變形。搞人工光合作用的研究者，幾十年來一直想仿造它：用便宜的金屬，在常溫下把水拆開。自然界做成這件事，只用了四個錳和一個鈣。
這個簇從哪來，沒有唯一答案。有人認爲最早的光合細菌先學會了從水裏的錳那裏拿電子，錳就這樣被蛋白一點點收編進來。還有實驗顯示，今天的光系統二在光照下，能從水裏的錳離子自己裝配出這個簇——如果早期也是這樣，就不需要一個現成的專門前身。
產氧光合作用還需要兩個光系統串聯。順序上排在前面，負責把電子從水裏拔出來的，反倒叫光系統二，因爲它是後被發現的。
電子送到排在後面的光系統一，再吸收一次光子，被第二次抬高，形成足夠強的"給電子的能力"，最後交給二氧化碳。一次抬不夠，所以抬兩次。
現存的不產氧光合細菌一般只有一個光系統。它們的電子供體本來就好拔——從硫化氫裏拿電子，不需要抬那麼高，一次就夠。所以一個光系統還是兩個，取決於你打算從哪裏拿電子。
兩個光系統是怎麼湊到一起的，有幾種說法。一種說祖先本來兩套都有，後來多數譜系各丟了一套。一種說是從不同的細菌那裏分別拿來，再拼到一起。幾十億年的丟失和轉手，讓今天的基因樹兩種讀法都說得通。
不管是哪一種，約束是同一個：電子從哪來，決定了需要幾級抬升，需要多強的氧化劑，以及會排出什麼。藍細菌排出的，是氧。植物和藻類後來也會這一手，是因爲它們把藍細菌整個收進了自己的細胞——這件事第五篇會講。
二 一個信號消失了
怎麼知道幾十億年前的大氣變了。最要緊的那條證據，藏在硫裏。先說同位素。
同一種元素可以有重量不同的版本——原子核裏的中子數不一樣。它們化學性質幾乎相同，只是有的重一點，有的輕一點。而在大多數物理和化學過程裏，輕的那一種跑得稍快，反應得稍容易。
於是經過某個過程之後，產物裏輕重兩種的比例會發生偏移。關鍵在於：這個偏移的大小，通常和"重了多少"成正比。
硫有幾種版本，分別是三十二，三十三，三十四，三十六。如果硫三十四相對硫三十二偏移了某個量，那麼硫三十三相對硫三十二，應該偏移大約一半——因爲它多出來的重量只有硫三十四的一半。
這條規律叫質量分餾。它極其可靠，幾乎所有尋常過程都遵守。而"非質量分餾"，名字聽着拗口，意思就是不按重量走：硫三十三或者硫三十六明顯偏離了那條按質量縮放的線。
這種不合規矩的分餾，第一次在實驗室裏造出來，是 1983 年。美國化學家蒂門斯用放電造臭氧，發現造出來的臭氧裏，幾種氧的比例偏得不按質量走。十七年後，他和實驗室裏的兩位同事在古老岩石的硫裏找到了同樣的偏差，把這件事搬進了地質史。
那麼什麼過程會不合規矩。目前的解釋是：紫外線打在二氧化硫上。在極低氧，沒有臭氧遮擋的大氣裏，短波紫外線可以一直打到含二氧化硫的大氣層。而不同硫版本的二氧化硫分子，吸收光的細微結構並不是簡單按質量縮放的——於是被光打散的比例出現了不按質量走的差異。
這些產物分別進入海洋的不同硫庫，最終被沉積物保存下來。要測出這點偏差，得把岩石裏的硫提出來變成氣體，送進儀器裏按重量一種一種分開來數。
2000 年，這三位研究者發現，約二十四億五千萬年前以前的岩石裏普遍有這種不合規矩的硫，而且偏得很大，之後的岩石裏偏差一下子變小，約二十億九千萬年前以後就測不到了。這是大氣變了的最硬的一條證據。
信號消失這件事，有兩個不同的環節。第一，氧一多，大氣裏的硫不管原來是哪一種，最後都被氧化成硫酸鹽這一種東西落下來。
本來分幾條路走，各帶正負偏差的硫，混進了同一個池子，偏差互相抵消。氧再多一些，臭氧還會擋掉那一段紫外線，工廠乾脆停了。
第二，氧化性的大陸風化增大了海洋裏的硫酸鹽總量。即使仍有少量帶異常的硫進入海洋，也更容易被一個龐大的，已經走過尋常路的硫庫稀釋掉。記錄被沖淡了。
不管是抵消，稀釋，還是乾脆不再產生，它們在岩石裏留下的結果一模一樣：測不到。所以這個信號能說的是：只要它還在，大氣裏的氧就極少，模型給的上限大約是今天的十萬分之一。它一消失，只說明氧超過了這個量，說不出超過了多少。
其他證據各有各的道理，也各有各的盲區。有幾種礦物，比如俗稱愚人金的黃鐵礦，還有一種含鈾的礦物，碰到含氧的水就會被氧化分解。
如果古老的河沙裏有這些顆粒，而且被水磨圓了，說明它們一路被沖刷搬運，卻沒有被氧化——那時沿途的水和大氣，氧化能力很低。在今天的河裏，這樣的顆粒走不了多遠就會被氧化溶掉。南非有一片二十八億年前上下的古河牀，是這類礦物的經典產地，那裏也是世界上出金子最多的地方。
還有紅色的岩層。岩石發紅，多半是顆粒表面裹了一層鐵鏽一樣的東西，而生鏽要有氧。2024 年有人研究加拿大一套古老的岩層，從石英顆粒表面的那層鐵鏽判斷它是當時就生成的，把較可靠的早期陸上紅層放到約二十三億一千萬年前。只是鐵鏽也可能是很久以後地下水帶來的，所以紅色本身不能證明沉積當時的大氣。
還有一種有名的岩石，一層紅一層黑，像千層糕，叫條帶狀鐵建造，全世界大部分鐵礦石都出自它。西澳大利亞的哈默斯利山區，一整片一整片的山崖都是這種一層紅一層黑的岩石。它記錄的是海裏大量溶解的鐵被氧化，沉了下來。
可把鐵氧化的不一定是大氣裏的氧：可能是表層海水裏藍細菌就地產的一點氧，可能是某些不產氧的細菌直接拿鐵當電子供體，也可能是陽光裏的紫外線。所以一層鐵礦，不等於一個有氧的大氣。不管是誰氧化的，這些鐵今天都在我們身邊：鍊鋼用的鐵礦石，很大一部分就是二十多億年前從海裏沉下來的這種鐵。
古土壤，也就是埋在岩層裏的古代土壤，靠的是另一個差異。無氧風化時，鐵容易被水帶走。有氧風化時，鐵變成鐵鏽留在土裏，今天南方那種磚紅色的土，就是這個樣子。
所以一個古土壤剖面裏鐵是流失了還是留住了，可以指示當時的大氣。約二十四億四千萬年前以前的古土壤，鐵普遍流失了，換算下來，當時的大氣氧大約不到今天的千分之二點四。這個數要靠模型換算，得假設當時的降雨，排水，溫度和土壤形成的時間。
還有幾種金屬——鉻，鉬，鈾，硒——各自對氧化的不同側面敏感：有的看陸地風化，有的看海底缺氧的面積，有的看局部的氧化。它們並不總是一致。這不奇怪，因爲它們測的本來就不是同一件事。 同一個年代，一個指標有信號而另一個沒有，可能反映的是真實的空間差異，而不是必然有一個指標錯了。
三 氧氣是怎麼進門的
二十四億年前，地球上只有微生物，陸地上光禿禿的，海裏沒有一個動物。把這段歷史拼出輪廓的人裏，影響最大的是美國地質學家克勞德。二十世紀六七十年代，他注意到條帶狀鐵建造大多比二十億年前老，而陸上的紅層大多比它年輕，於是提出：大氣曾經從無氧變成了有氧。
氧氣進入大氣，不是一天的事，也不是一次的事。把現在能拼出來的經過按順序講一遍，大致是這樣。
先是藍細菌學會了拆水。這一步發生在什麼時候，本身就在爭。有人從基因推算，說早在三十億年前，甚至更早。也有人指出，藍細菌最近的一些親戚至今一個會光合的都沒有——其中一支，2013 年在人的腸道和地下水裏被找到——拆水的本事可能是後來才拼齊的。
岩石裏確實有一些比大氧化早的氧氣痕跡。西澳大利亞有一套約二十五億年前的黑色頁岩。2004 年，美國航天局資助的一個項目在那裏打了一口鑽，取出新鮮的巖芯，2007 年有人在裏面測到了鉬和錸的富集。
這兩種金屬要先被氧氣從陸地的岩石裏"洗"出來，才進得了海。幾年後又有人在同一套岩層裏測到了硒的異常，不過那項研究也說，氧氣可能只是在局部的陸地上產生的，不一定已經進了全球的大氣。更早的候選，還有約二十六億六千萬年前的一套地層。
這些"氧氣的氣息"本身也在爭。2022 年有人用更精細的微區分析重新檢查那套頁岩，認爲鉬可能來自火山灰，那些信號也可能是岩石埋深受熱，或者很久以後被氧化時才造出來的。原作者回應說，這些後期作用解釋不了全部信號。爭論還在繼續。
就算藍細菌早就在產氧，大氣也不會馬上有氧。這有點像往一隻底下有洞的桶裏倒水：火山噴出的還原性氣體，海裏溶解的鐵，岩石裏的硫化物，都在不停地喫掉新產生的氧。
只有產氧的速度長期超過這些洞漏掉的速度，氧氣才攢得起來。在藍細菌密集的淺水裏，氧可能早就一片片地冒了出來，研究者管這種地方叫氧氣綠洲，可綠洲之外，還是無氧的世界。
而且攢起來的方式不是勻速的。2006 年的一個大氣模型顯示，氧氣少於今天的十萬分之一左右時，大氣可以一直穩定地停在低氧狀態。
再多一點，就能造出一點臭氧，臭氧擋住紫外線，大氣裏那些靠紫外線推動，拿氧去燒甲烷的反應慢了下來，氧的壽命一下子變長，整個大氣就跳到了高氧的那一邊。產氧可以增加很久，大氣卻一直不動，然後突然翻過去。
至於那些洞後來爲什麼變小了，有好幾種解釋。一種看火山：早期更多的火山在海底噴發，噴出的氣體更還原，後來陸上的火山多了，喫氧的氣體就少了。
一種看鎳：地幔慢慢變冷，噴出來的富鎳岩漿越來越少，海裏的鎳跟着減少。產甲烷古菌造甲烷的酶離不開鎳，鎳一少，甲烷這個喫氧的大戶就弱了下去。營養元素也可能卡着產氧的速度。這些解釋不互斥，爭的是哪一個決定了翻過去的時間。
真正的翻轉發生在約二十四億到二十三億年前。南非三口同期鑽孔的巖芯，把那個硫信號的消失定在約二十三億三千萬年前，而且消失得很快，可能只用了一百萬到一千萬年。
另一些研究把第一次變化放得更早，在約二十四億三千萬年前附近。日期差着一億年，一部分可能是因爲各家量到的是這件事的不同階段，一部分是因爲各地岩層的年代怎麼定，怎麼對比，至今還有分歧。
這些日期是怎麼定出來的。岩層裏常夾着薄薄的火山灰，灰裏有一種叫鋯石的小晶體。鋯石結晶時會收進一點鈾，卻幾乎不收鉛，而鈾會以固定的速度變成鉛。量一量晶體裏鉛和鈾的比例，就知道它結晶了多久，好的測量誤差只有一兩百萬年。
翻過去以後，也沒有一下子站穩。2021 年，英國利茲大學的波爾頓等人報告，大氣在約二十四億年前第一次跨過門檻之後，又好幾次退回低氧，來回折騰了約兩億年，到約二十二億二千萬年前才永久站住。
這段時間裏，地球還經歷了好幾次冰期。加拿大休倫湖北岸的古老岩層裏，至少保存着三層冰川留下的碎石。
冰川的證據很好認：細細的泥層裏突然嵌着一塊大石頭，最常見的解釋是漂在水上的冰化開，把石頭丟了下去。這幾層冰磧，時間在約二十四億五千萬到二十二億二千萬年前之間。
南非的一次冰川，沉積的時候可能離赤道不遠。冰要是能一路推到赤道，整顆星球就近乎凍成了一個雪球，地質學家管這種情形叫雪球地球。
早在 2000 年前後，就有人把這幾件事串成了一條鏈。早期大氣裏甲烷很多，而甲烷保溫的本事，按每個分子算比二氧化碳強得多。
藍細菌產出的氧把甲烷破壞掉，溫室一減弱，地球就冷了下去。2005 年又有人把它推到頭：說藍細菌正是在那時才學會產氧，一出現就把地球推進了雪球。只是沒有冰芯可以直接測二十四億年前的甲烷，甲烷有多少全靠模型推算。
先後順序這幾年也有修訂：2020 年有人認爲，可靠的氧化信號先於關鍵的那次冰期，這條鏈在時間上說得通了。可先後說得通，不等於因果已經證明。
站穩之後，氧氣還衝過了一次頭。約二十二億二千萬到二十億六千萬年前，全世界的碳酸鹽巖裏，碳都變"重"了，這是地質史上幅度最大，持續最長的一次這樣的偏移。
一種解釋是：大量有機物被埋進地下，輕的碳跟着被帶走，重的碳留在海裏，同時留下了多餘的氧。於是有人提出，那段時間的氧氣曾一度遠高於後來。
然後是回落。被埋下去的有機物後來又被重新翻出來氧化，把多出來的氧喫了回去。2019 年有一項研究，根據約二十億一千八百萬年前的一種硫酸鹽礦物推算，那次過衝結束之後，全球的光合生產可能下降了八成以上。
此後十多億年，氧氣一直停在低位。有人根據鉻同位素認爲，那時的大氣氧可能還不到今天的千分之一，也有人認爲在百分之一上下。
這段時間地球上的變化少得出奇，地質學家乾脆管它叫"無聊的十億年"。它到底無聊不無聊，第七篇會專門講。第五篇要講的真核細胞，就是在這段時間裏站住腳的。
四 氧氣爲什麼有毒
氧氣對當時的生物做了什麼。先說一件身邊的事：往傷口上倒雙氧水，會冒出一片白沫。那是傷口裏的一種酶，在把過氧化氫飛快地拆成水和氧氣——雙氧水就是過氧化氫，比水多一個氧。身體裏備着這種酶，是因爲過氧化氫是氧氣的副產品，留着會傷細胞。
氧氣本身其實不太愛直接和有機分子反應。麻煩出在它被一步一步加上電子之後變出來的幾種東西——超氧，過氧化氫，羥基自由基，統稱活性氧。
呼吸鏈和許多酶在電子發生泄漏時，就會不斷生出前兩種。放射線傷人，很大一部分也是先把細胞裏的水打出這一類東西。
它們的破壞力可以具體到部位。超氧尤其會攻擊酶裏那些由鐵和硫搭成的小零件，酶一壞，裏面的鐵就被放了出來。
而過氧化氫遇到游離的鐵，會生成反應性極強的羥基自由基——它幾乎在生成的位置附近就攻擊 DNA，蛋白質和膜。所以防護不能靠躲，只能靠攔截：及時清掉超氧和過氧化氫，儘量不讓更兇險的羥基自由基生成。
今天的細胞有一整套攔截的辦法：一種酶把超氧轉成過氧化氫，另一種把過氧化氫拆成水和氧氣——就是傷口上冒泡的那一種——還有修復 DNA，把鐵收起來的一系列裝置。人血裏的鐵，幾乎都被蛋白緊緊抱着，很少讓它單獨游離，道理就在這裏。
那種把超氧變成過氧化氫的酶，至少有三個彼此無關的家族：含鐵和含錳的是一家，含銅和鋅的是一家，含鎳的又是一家。同一個問題，不同的譜系各自想出了辦法。不同生物怕氧的程度，也因爲這些裝置和膜的組成不同而差得很遠。
有意思的是，這套家底有一部分在氧氣變多之前就有了。2021 年的一項分析認爲，藍細菌的這類酶裏，大多數的歷史早於大氧化，另有兩種拆過氧化氫的酶和含鎳的那一種，大約在二十五億到二十三億年前纔出現。這說得通：大氧化之前，局部就有藍細菌產的氧，陽光裏的紫外線也能在大氣和水裏造出少量過氧化氫，無氧的代謝本身也會製造氧化壓力。
毒藥後來也變成了燃料。有些微生物學會了反過來用它：把從食物裏拿出的電子，最後交給氧。氧搶電子的本事極強，電子落下去的那一段落差特別大，能攢下的能量也就特別多。
這就是有氧呼吸。今天用氧呼吸的酶有一個大家族，有人從它們的分佈推測，最早的成員可能比大氧化還早，在氧氣綠洲裏就已經派上了用場。
可氧對我們也不全是好東西。二十世紀四五十年代，醫院曾給早產兒的保溫箱輸入高濃度的氧，後來發現這造成了許多孩子失明。潛水員帶着高濃度的氧潛得太深，氧氣本身就可能讓人抽搐。
有的生物根本受不了氧。1861 年，法國人巴斯德研究丁酸發酵——變質黃油那股酸臭味就來自丁酸——發現幹活的那種微生物一通空氣就死。兩年後，他給這種生活造了一個詞，字面意思是"沒有空氣的生命"，厭氧這個詞就是這麼來的。
今天它們也沒走遠。破傷風桿菌就是一種厭氧菌，它的芽孢混在泥土裏，最容易在深而窄，或者有壞死組織的傷口裏繁殖起來。
被釘子深深扎傷，需要及時就醫處理，是否需要疫苗或免疫球蛋白則要看傷口和既往接種史。鐵鏽本身不是病因；污染以及深處缺氧的條件，才讓這類傷口尤其值得警惕。 肉毒桿菌也怕氧，出事多半出在自家做的罐頭，醃菜和發酵食品裏：封得嚴實，裏面沒有氧，加熱或者醃製又不到位，芽孢就活了下來。實驗室裏培養這類細菌，得用專門的厭氧箱，裏面灌的是氮氣和一點氫氣，人隔着一副橡膠手套伸手進去操作。
對這些嚴格厭氧的生物來說，地表和淺水變得有氧，等於家門口多了一樣毒藥。它們的地盤必然收縮，有些譜系很可能就此消失。
可到底消失了多少，算不出來。常見的說法是"氧氣大災難"，甚至說百分之九十幾的生命因此滅絕。這個說法有一部分來自一本很有名的科普書：1986 年，馬古利斯和她的兒子薩根合寫的那本書裏，有一章就叫"氧氣大屠殺"。
這樣的數字沒有數據撐腰：滅絕率要有分母，得先數清原來有多少個物種，而那時的微生物化石往往只是一個個小球，看不出它是一個物種還是十個，第一篇講過的那些三十多億年前的微化石也是這樣。連"一個"是什麼都定不下來，這個比值就不是測不準，是沒有定義。
第三節那次光合生產下降八成，也不能直接換成八成的物種滅絕。一片森林少長了八成的葉子，不等於八成的樹死了，更不等於八成的樹種消失了。
五 厭氧生物圈在哪裏
要記得，大氧化之前，地球上所有的生命都是在無氧的世界裏長出來的。今天的厭氧微生物，過的還是祖先的日子。
厭氧生物圈沒有消失。它存在於"氧送進來的速度趕不上被消耗的速度"的每一個地方。
最近的例子在腳下。挖開海邊或者池塘的淤泥，往往表面是褐色，往下幾釐米就變黑發臭，那一層就是厭氧微生物的地盤。
有機物在沉積物裏分解，迅速耗掉擴散進去的氧，往下依次輪到用硝酸鹽，金屬，硫酸鹽來"呼吸"的微生物，最底下是產甲烷的古菌。靠造甲烷過日子的，整個生命之樹上只有古菌，而它們體內那套酶碰到氧就壞。別的生物也能順帶放出一點甲烷，可量要小得多。
那股臭雞蛋味，就是用硫酸鹽呼吸的細菌排出的硫化氫。泥發黑，是硫化氫和鐵結成了黑色的硫化鐵。
深部大陸地下的岩石裂隙，含水層和沉積盆地的孔隙，是另一片巨大的無氧棲息地。2018 年有人根據全球的地熱，溫度，巖性和實測的細胞濃度推算，大陸地下約五千米以內，住着約二到六乘十的二十九次方個細胞。
南非一座金礦地下約兩千八百米深的裂隙水裏，2008 年有人發現，那裏幾乎只住着一種細菌，自己撐起了一個完整的生態系統。它靠岩石裏的放射性把水分解出的氫氣過活，用不着陽光，也用不着別的生物。
研究者借了凡爾納小說裏的一句拉丁文給它起名，意思是"大膽的旅行者"。地下的細胞大多活得極慢，有的估算說，那裏的一個細胞要幾百年甚至上千年才分裂一次。海底幾百米深的泥裏，有機物是幾百萬年前沉下去的，那裏的細胞就靠這點陳糧過活。
動物的消化道也是一套持續缺氧的環境。牛羊的瘤胃——牛那四個胃裏最大的一個——和許多動物的結腸裏，微生物活動耗掉了進入的氧氣，住滿了嚴格厭氧的細菌和產甲烷古菌。
牛打的嗝裏有甲烷，就是它們造的，一頭牛一年能打出近百公斤。人的大腸裏，細菌也大多是厭氧菌，數量和人體自己的細胞差不多。
永久分層的水體能保留大片的無氧水。黑海是世界上最大的無氧水體，一兩百米以下的水裏沒有氧，滿是硫化氫。
2017 年，一個考古項目用遙控潛水器在那裏的海底找到一艘約兩千四百年前的古希臘商船，第二年公佈，桅杆和船舵都還在。它躺在兩千多米深的海底。
這裏不是大氣的氧沒有到達，是水體分層，氧補不上有機物分解的消耗。湖裏也一樣：夏天的水華一死，被分解時會耗光水裏的氧，湖水發臭，魚成片死掉——產氧的生物，也能造出一湖缺氧的水。
熱液系統同樣不是統一的有氧或無氧。高溫，還原性的熱液和海水不同程度地混合，形成強烈的梯度，其中的低氧區域養着產甲烷，硫酸鹽還原和靠氫氣過活的微生物。有一種從熱液口採來的產甲烷古菌，在一百二十二攝氏度下還能繁殖，是已知最耐熱的生命之一。
它有多大。這個問題的答案，二十年裏被改過好幾次。1998 年，美國微生物學家惠特曼等人做了一次經典估算：全世界的原核細胞約四到六乘十的三十次方個，其中海底以下住着的極多。由此"地下的微生物可能和地面上的植物差不多重"成了流行多年的說法。
2012 年，有人彙總了五十多處深海鑽探點的實測數據重新推算，海底那一項被砍掉了九成以上。靠的不是新儀器，是採樣把離陸地很遠，細胞極少的大洋中心海區也算了進去。
2018 年那項大陸地下的估算，順帶把全世界的原核生物重算了一遍，只有約二百三十億到三百一十億噸碳，是早先估計的四分之一到十分之一，也只有第八節那組數字的三四成。全球的細菌和古菌，估計大部分住在地下，而這一項的誤差也最大——最難採樣的，恰恰是體積最大的那個環境。
嚴格厭氧的代謝，至今仍在全球尺度上運行。在人類排放的溫室氣體裏，甲烷的作用僅次於二氧化碳，今天全球每年排進大氣的約有六億多噸。
天然溼地約一億六千萬噸，牛羊這些反芻動物連同糞便約一億一千多萬噸，稻田約三千多萬噸——稻田灌滿了水，泥裏缺氧，產甲烷古菌就在稻根周圍忙活。按常見的估計，這些甲烷約七成出自微生物之手，主力是產甲烷古菌。
海底的可燃冰，裏面的甲烷大多也是泥裏的古菌造的。反過來，海底還有一類古菌專門喫甲烷，和細菌搭夥，在無氧的泥裏把往上冒的甲烷大部分攔了下來，沒讓它們跑進大氣。
六 一份廢棄物，和一份礦物清單
氧氣對這顆行星做了什麼。可以說，整個地表在那次事件裏生了一回鏽。最出人意料的一個答案，在礦物裏。
那些顏色鮮豔的銅礦石，孔雀石的綠，藍銅礦的藍，都是銅被氧化以後才長出來的。沒有空氣裏的氧，地球上就不會有它們。中國畫裏的石青，石綠，就是把這兩種礦石磨成的顏料，敦煌壁畫上的藍，有不少出自石青，綠色用得最多的則是氯銅礦——同樣是銅被氧化以後才長出來的礦物。
自由女神像是銅皮做的，剛立起來時是銅色，在紐約的空氣裏二十來年就變成了綠色。那層綠，主要是銅和氧，水，空氣裏的硫，還有海風帶來的氯一起造出的新礦物。
2008 年，美國礦物學家黑曾的團隊把這件事推到了整顆星球的尺度，提出了"礦物演化"的說法。這個詞乍聽像個玩笑，礦物又不會繁殖，怎麼演化。
他們的意思是，礦物的種類會隨着地球的歷史一步步變多：地球剛形成的時候，能長出的礦物種類要少得多。生命把地表氧化之後，鐵，銅，鈾，錳這些元素才大量進入更高的價態，和別的元素組合出新的晶體。
這裏說的不是生物直接長出晶體——那是貝殼，骨頭和牙齒——而是生命改了環境，讓礦物自己長出來。按黑曾他們的估算，月球這樣乾燥的星球最多只能長出三百五十種上下的礦物，地球上已知的卻有六千多種。差的那一大截，和水，和板塊運動有關，也和生命有關。
他們當時估計，已知礦物的三分之二以上，直接或間接是生命改造地表的結果，其中最大的一環就是這次氧化。黑曾在 2010 年一篇面向大衆的文章裏寫道：二十多億年前的那次氧化，讓兩千五百多種新礦物在化學上成爲可能，其中許多是岩石風化後的產物。
後來他們自己把賬算得更細。數據庫擴大以後，他們給每種礦物標上所有已知的形成途徑，結果是：約兩千七百種礦物，差不多佔一半，可以經由和生命有關的過程形成，可離開生命就一定長不出來的，只有約一千九百種，佔全部礦物的三分之一左右。
另有約八成的礦物，形成時有水參與。同一個團隊，十幾年裏把一個大膽的說法，拆成了三個問得更準的問題。那份礦物名錄本身也在長：2008 年約四千三百種，2022 年約五千八百多種，如今已經過了六千種。
氧化還改寫了大陸送進海裏的東西。岩石裏的硫化物被氧化，變成硫酸鹽流進海裏，海裏的硫酸鹽因此越積越多。
而這個越來越大的硫酸鹽庫，反過來沖淡了第二節那個"不合規矩"的硫信號——信號消失的第二個環節，就是這麼來的。氧氣自己抹掉了自己進門的證據。 正是大氧化留下的東西，讓"大氧化何時發生"這個問題變難了。
鈾，鉻這些金屬也換了價態，變得能溶在水裏，被河流帶走。這件事留下過一個驚人的後果。1972 年，法國人在非洲加蓬的奧克洛鈾礦裏發現，那裏的鈾裏能裂變的那一種少得反常。
追查下去，原來約二十億年前，這片礦牀在地下自己發生過核裂變，斷斷續續燒了幾十萬年。能燒起來，前提之一是鈾先被含氧的水溶解，搬運，再在一處聚集起來。沒有大氧化，就沒有這座天然的核反應堆。 它至今是已知唯一的一處。
氧氣也不是只會往海裏送東西：新生成的鐵鏽對磷有很強的吸附力，會把磷重新抓住。磷是造遺傳物質和能量貨幣都少不了的元素，海裏磷一少，光合作用就被卡住。
高空的臭氧，也是從這時開始有的。今天的臭氧層，要是壓到地面的氣壓下，只有約三毫米厚，擋住的是紫外線裏最傷 DNA 的那一段。臭氧由氧氣在陽光下變出來，所以一點點氧就能造出一點臭氧，足以改變大氣裏的化學。
可要擋住足夠多的紫外線，讓陸地表面適合生命曬太陽，需要的氧要多上約一千倍，大約是今天的百分之一。2022 年的一個新模型還認爲，低氧時的臭氧層可能比舊模型算的更薄。
大氣有了氧，深海卻遲遲沒有跟上。此後十幾億年，海洋像一塊千層糕：表層有氧，下面無氧。1998 年有人提出，那時的深海大片發臭，滿是硫化氫。他的一條理由是：條帶狀鐵建造在約十八億五千萬年前前後基本停止了沉積，好像海裏的鐵一下子被什麼東西收走了，而硫化氫正好能把鐵沉澱掉。
後來的研究發現，更多的深水其實富含溶解的鐵，發臭的主要是生產力高的近岸和邊緣海。大氣已經有氧，深海仍然無氧，這兩件事共存了很長時間。今天的黑海，就是這種海洋的一個小樣本。
七 三檔不同強度的主張
有一句話流傳極廣：氧氣使複雜生命成爲可能。這句話裏其實壓着三個強度不同的說法。
先看能量數字。發酵是在沒有外部電子受體的情況下產生能量的辦法。典型的糖酵解接乳酸或者乙醇發酵時，一分子葡萄糖的淨收益是兩個能量貨幣分子。
完整的有氧氧化，現代教科書數值常寫約三十到三十二個。很多人中學背過的三十六到三十八，屬於較理想化的舊計算。
所以按一分子葡萄糖算，有氧呼吸的收益大約是發酵的十五倍。百米衝刺時，肌肉來不及等氧，一部分能量靠發酵頂上，來得快，卻撐不了多久。
不過這個倍數只是和發酵比。厭氧呼吸也有電子傳遞鏈，可以用硝酸鹽，硫酸鹽，三價鐵作末端電子受體，能量收益在很多情況下高於發酵。能量差異的根源也不是氧氣"攜帶"了什麼。
是氧氣搶電子的能力很強，與有機物之間形成很大的落差。呼吸鏈把其中一部分保存爲跨膜的質子落差，再由第三篇講過的那臺旋轉裝置造出能量貨幣。
現在看那三檔。第一檔：氧氣允許某些代謝。這是證據最強的一層。氧氣作爲高效的末端電子受體，允許高能量收益的有氧呼吸。許多酶反應直接使用氧氣。
在完全無氧的環境裏，這些具體反應無法按同一路徑進行。化學與現代生理都直接支持。我們體內合成膽固醇，就有好幾步直接要用分子氧。
第二檔：氧氣便利某些結構或者生活方式。證據中等，而且高度依賴對象。
2005 年，行星科學家卡特林等人給出了一個強版本的論證：地球上大型的，持續主動運動的，高能量通量的複雜生命，幾乎都依賴有氧代謝。因此充足的氧氣可能是高能量需求的複雜生命的必要條件。他們的算法之一是擴散：身體要長到幾毫米以上，光靠氧從表面滲進去，外面的氧就得足夠濃。
這個論證的強項在生理能量學。許多現代高代謝的組織確實不能在完全無氧的狀態下長期維持。人的大腦只佔體重的五十分之一左右，卻要用掉全身約五分之一的氧，斷氧幾分鐘就會受損。
但它證明得最強的是"某些具體代謝和組織功能要求氧"，不是僅憑能量數字就證明了"形態複雜性"這個抽象屬性必然有一個統一的門檻。
2014 年的一項實驗，直接削弱了"必須接近現代氧水平"的版本。丹麥的一個研究組把一種常見的海綿——沒有肌肉，沒有神經，靠水流穿過身體過濾食物，是最簡單的動物之一——放進極低氧的水裏，發現它在相當於今天大氣氧水平百分之零點五到百分之四的條件下，照樣能活下來。海綿很可能是最早分出去的動物之一，這個結果才格外有分量。
這是一個很清楚的雙重結果：它反駁"簡單多細胞動物需要接近現代的氧氣"，同時不反駁"該海綿仍然需要非零的氧氣"。後續對另一種海綿的實驗把暴露水平降到約現代水平的百分之零點二五，只觀察到相對有限的變化。
這些實驗也有侷限。現代海綿不是古代生物的生理複製品。實驗時間有限。體形，流體運動，食物供應和微生物共生都會改變擴散限制。
第三檔：氧氣是複雜結構本身的必要條件。如果這個命題指的是所有的"複雜性"，證據最弱。
因爲複雜性沒有單一的代謝定義，而且某些結構所需的氧量非常低。2020 年有人發現，一種寄生在鮭魚身上的微小動物，連線粒體的基因組都丟光了，不靠氧氣呼吸。它是水母的遠親，只是一輩子都住在別的動物身上。
2009 年，劍橋大學的古生物學家巴特菲爾德提出了一個更強的質疑：如果低百分比的現代氧水平已經足夠滿足基礎多細胞動物的代謝，那麼地質記錄中"氧氣較早存在，而複雜形態較晚出現"之間的那段長時間差，本身就表明氧氣不可能是單獨的時間控制器。
他還強調生物活動可以改變海洋通氣和有機物輸送，所以"氧氣驅動生態結構"這個因果箭頭可能存在反向的反饋。會游泳，會挖洞，會濾水的動物，能把表層的有機物更快地送到深處，改變海水裏氧的分佈。動物不只是等着氧，它們也在改寫氧。
這一方並不主張氧氣毫無作用。 他們做的是把兩件事拆開：最低生理需求可能很低。而環境中實際的氧輸送又受邊界層，擴散距離，循環，體形和行爲控制。全球大氣氧的百分比，與一個具體生物細胞真正得到的氧通量，不是同一個變量。
三檔說法，一檔比一檔強，證據卻一檔比一檔弱。文獻裏很大一部分爭議，正來自把這三檔命題用同一句話混在一起。
八 誰多
最後看今天。2018 年，以色列魏茨曼研究所的一組人做了一項全球彙編，用碳的質量而不是溼重，把所有生物放在同一把秤上。結果是：現代地球上所有生物加起來，約五千五百億噸碳。
其中植物約四千五百億噸，佔八成以上，而且大半是樹幹裏的木頭。細菌約七百億噸，是第二大戶，其中大部分住在地下。
真菌約一百二十億噸，古菌約七十億噸，原生生物約四十億噸。動物只有約二十億噸，不到百分之一，細菌的碳量是它的三十多倍。
動物裏，一半左右是節肢動物，大頭在海裏，是橈足類——一種比米粒還小的甲殼動物——和磷蝦這一類，陸上以昆蟲爲主的只有約兩億噸。魚類又佔了三分之一上下。
再往下看幾個數。所有的人加起來約六千萬噸碳，大約是細菌的千分之一，全部生物的萬分之一左右。人養的家畜約一億噸，是全部野生哺乳動物的十幾倍。野生鳥類約兩百萬噸，家禽是它們的兩倍多。
按細胞數看，微生物的優勢更大：全球的細菌加古菌，各家估計在一到三乘十的三十次方個之間。所有生物的"個體數"反倒數不清。美國猶他州有一片顫楊林，四萬多根樹幹底下連着同一個根系，算一個還是算四萬個，看你怎麼定義。
海裏的情況又不一樣。會光合作用的那些，在海裏總共才約十億噸碳，靠它們過活的生物卻有約五十億噸，生物量的金字塔是倒過來的。所以"全球生物量被植物佔據"，主要是陸地上那個巨大的木頭碳庫造成的，不能由此推斷大多數生態系統都是多細胞生物佔多數。
海裏數量最多的光合生物，是一種叫原綠球藻的藍細菌，一毫升海水裏可以有十萬個上下。產氧的這一門，至今還在海裏當家。
現在回到這一篇的構。這個系列說的構，不只是人造的判據：凡是劃出邊界，決定什麼能留下，什麼留不下的東西，都算。在這一篇裏，它是星球尺度的化學環境：大氣的氧化還原狀態，海洋的分層，大陸風化送出去的元素清單，以及一份礦物名錄。
而改寫它的東西，是一份代謝廢棄物。產氧的那些細胞沒有意圖，沒有計劃。從水裏奪電子，對它們的意義是拿到了一個到處都有的電子供體，氧氣是被扔出去的那一半。它不是目的，也不是產物，是副產物。 一份被排出去的東西，成了後來一切的原料。
這種副產物，今天還被人拿來找外星生命。天文學家盯着系外行星的大氣，一顆行星要是長期有大量氧氣，很可能說明那裏有什麼東西在不停地製造它。只是也有不靠生命造出氧氣的情形，所以它只能算一條線索。
這件事比"生物改造了環境"具體得多：某個代謝把一樣東西當廢物排出去，這樣東西改變了行星表層的化學，讓後來完全不同的過程成爲可能。它改了大氣的紫外光化學，改了能穩定存在的礦物，改了河流送進海裏的元素，改了海洋的分層，還可能觸發了一次全球性的冰期。而造出這批建材的那一方，自己並不享用：對產氧的細胞本身，氧氣是負擔，它會生成活性氧，得靠專門的酶去清除。
藍細菌自己就喫過這個虧。它們固氮用的那種酶一碰到氧就壞，於是有的藍細菌在一串細胞裏專門分出一些厚壁的細胞，裏面關掉產氧，專心固氮。自己排出的廢物，自己得躲着。
構裝不下，又消不掉的那部分，這個系列叫餘項。它不在那些被改寫的東西裏，在沒有被改寫的東西裏：這一篇的餘項，是厭氧生物圈。
它沒有被消滅，只是被壓縮到了"氧送不進來"的那些地方——沉積物往下幾釐米，深部地下的岩石裂隙，動物的肚子，分層水體的深處。氧氣沒有把厭氧生物趕出地球，只是把它們趕到了氧氣去不了的地方，而那些地方加起來，比地表大得多。
它離你也不遠。有三到五成的人，呼出的氣裏能測到甲烷，那是腸道深處的產甲烷古菌造的。你每一口呼吸，用的都是光合生物排出的廢物，而你身體裏還住着一小片比大氧化更早的世界。
至於它今天有多大，最大的誤差恰恰落在體積最大，也最難採樣的那個環境上。