光合作用從水中分解出的氧氣-細胞的進化研究
細胞的進化
細胞的區室化(compartmentation)有許多益處。一個封閉的系
統除了保護細胞不受外界不利環境的影響外，還可以保持高濃度的
內部組分，否則，組分就會擴散。物質的高度濃縮，使得發生的聚
合反應和其他化學反應更為有效，反應的發生也更加容易。
膜包被的小室逐漸使其內容物與外界環境的組分變得不同。進
化到今天的細胞包含有高濃度的離子、小分子以及一些大分子復合
物，這些大分子即使在胞外存在的話，也是微量的。比如，大腸桿
菌中有上百萬個分子，組成大約3000～6000種不同的復合物。而一
個典型的動物細胞則容納有十萬種不同的分子。
早期細胞依靠環境提供有機原料進行生物構建。當前生物“湯
”中生命必需的有機成分在環境中越來越少時，自然選擇利于那些
能從一些簡單卻又豐富的有機前體(precursor)中合成所需化合物
的生物體。較初的代謝反應利用從無機環境中吸收的金屬或黏土作
為催化劑(一種參與促進化學反應但自身不發生改變的物質)。事實
上，現在細胞中的許多化學反應的核心仍然是金屬離子，并且一些
聚合大分子的功能基團已發展為具有催化功能的基團。
總的來說，生物合成反應需要能量。因此，較初的細胞中的反
應也需要能量供給。在前生物(prebiotic)環境中，原始的高能物
質的缺乏可以促進產能代謝途徑的發生。例如，較早以前，就進化
出光合作用來利用太陽能。然而，光合作用從水中分解出的氧氣(
現在大氣中氧含量為21％)，對早期生活在貧氧大氣層中的生物提
出了挑戰。代謝機制較終不僅使生命體避免了氧化傷害，還利用氧
氣進行了有氧代謝。有氧代謝可以比無氧代謝獲得更多的能量。從
現在相當一部分生命體中的無氧代謝過程中，都可以看到遠古生命
的遺跡殘痕。
早期生物體進化產生的代謝策略，包括合成生物大分子，可控
制性地保存和利用能量并在外膜保護的小室內復制自身，使其能在
范圍更廣的生活環境中延續和發展。細胞對不同外界環境的適應性
較終帶來了今天的生物多樣性。不同細胞的特性使得多細胞生物中
各類細胞共同工作變成可能。
