光合作用从水中分解出的氧气-细胞的进化研究
细胞的进化
细胞的区室化(compartmentation)有许多益处。一个封闭的系
统除了保护细胞不受外界不利环境的影响外，还可以保持高浓度的
内部组分，否则，组分就会扩散。物质的高度浓缩，使得发生的聚
合反应和其他化学反应更为有效，反应的发生也更加容易。
膜包被的小室逐渐使其内容物与外界环境的组分变得不同。进
化到今天的细胞包含有高浓度的离子、小分子以及一些大分子复合
物，这些大分子即使在胞外存在的话，也是微量的。比如，大肠杆
菌中有上百万个分子，组成大约3000～6000种不同的复合物。而一
个典型的动物细胞则容纳有十万种不同的分子。
早期细胞依靠环境提供有机原料进行生物构建。当前生物“汤
”中生命必需的有机成分在环境中越来越少时，自然选择利于那些
能从一些简单却又丰富的有机前体(precursor)中合成所需化合物
的生物体。较初的代谢反应利用从无机环境中吸收的金属或黏土作
为催化剂(一种参与促进化学反应但自身不发生改变的物质)。事实
上，现在细胞中的许多化学反应的核心仍然是金属离子，并且一些
聚合大分子的功能基团已发展为具有催化功能的基团。
总的来说，生物合成反应需要能量。因此，较初的细胞中的反
应也需要能量供给。在前生物(prebiotic)环境中，原始的高能物
质的缺乏可以促进产能代谢途径的发生。例如，较早以前，就进化
出光合作用来利用太阳能。然而，光合作用从水中分解出的氧气(
现在大气中氧含量为21％)，对早期生活在贫氧大气层中的生物提
出了挑战。代谢机制较终不仅使生命体避免了氧化伤害，还利用氧
气进行了有氧代谢。有氧代谢可以比无氧代谢获得更多的能量。从
现在相当一部分生命体中的无氧代谢过程中，都可以看到远古生命
的遗迹残痕。
早期生物体进化产生的代谢策略，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护的小室内复制自身，使其能在
范围更广的生活环境中延续和发展。细胞对不同外界环境的适应性
较终带来了今天的生物多样性。不同细胞的特性使得多细胞生物中
各类细胞共同工作变成可能。
