想象一下没有光合作用的世界会怎样。首先，它不会是绿的。我们的翡翠星球是植物和藻类的荣耀，归根结底是它们的绿色素吸收光以进行光合作用。这些色素中最重要的是神奇的传导者——叶绿素，它能偷来一束光然后变成量子化学能，驱动着植物和动物的生命。
世界很可能也不是蓝的，因为天空和海洋的蔚蓝色依赖于清澈的空气和海水，要靠氧气的洗劫之力把其中的尘霾清除掉。而没有光合作用，就不会有自由氧气。
事实上，可能连海洋都不会有。没有氧气就没有臭氧层，没有臭氧层就没有什么东西能阻挡灼人的紫外线。紫外线会把水打碎成氢和氧。氧气的形成很缓慢，不会在空气中积累，相反它会和岩石中的铁反应，把它变成锈红色。而氢气作为最轻的气体，会逃脱引力的束缚，逃进外太空。这个过程可能很慢，但却是不可逆转的：海洋的水流入太空。紫外线辐射让金星失去了它的海洋，可能火星也是。
所以我们不需要多少想象力也能看到没有光合作用的世界是什么样子：它看起来会很像火星，红色的尘埃星球，没有海洋，也没有明显的生命迹象。当然，没有光合作用也会有生命，许多天体生物学家在火星上寻找的就是这样的生命。但就算地表之下或冰盖里隐藏着几个细菌，行星本身也是死的。它是一个几乎完美的平衡，是停滞的标志。它永远不可能被人当做盖娅。
氧气是行星生命的关键。它虽然只是光合作用的副产物，但它的确是创造世界的分子。
光合作用能以如此快的速度释放氧气，以至于它最后成功地压倒了一颗行星的吸收能力。到最后，岩石中所有的铁和所有的尘埃，以及海洋里所有的硫和空气中所有的甲烷，都被氧化了，剩下的自由氧涌入空气和海洋。一旦氧气就位，就阻止了行星进一步损失水。氢气一从破裂的水中释放出来，就不可避免地会在逃入太空之前碰到别的氧气分子，很快就会发生反应重新形成水，然后从天空落下来，阻止了海洋的损失。而随着氧气在空气中积累，臭氧层随之形成，减缓了紫外线的强度，让世界变得更适合居住。
氧气不光是拯救了行星上的生命，它还让所有生命充满动力，让它们得以长大。
细菌没有氧气也能活得很好：它们在电化学领域的技巧无可匹敌，几乎任何能发生反应的东西都能被它们用来生产一点点能量。但是发酵所能产生的总能量，或者像甲烷和硫酸盐这种分子反应所能生成的能量，和有氧呼吸的能量相比就是小巫见大巫了——有氧呼吸真的就是让食物在氧气中烧尽，彻底氧化成二氧化碳和水。没有任何别的东西能产生足够的能量满足多细胞生命的需求。所有的动物、植物、藻类、真菌——所有的这一切都至少在生命中的部分环节依赖氧气。我所知的唯一例外是一种微小（但多细胞）的线虫，在黑海死寂的无氧深水里生存。因此，没有自由氧的生命世界只能存在于显微镜下，至少是对个体生命而言。
氧气还以其他方式为大体积生物做出了贡献。想一下食物链。顶级捕食者吃掉较小的动物，小动物可能吃昆虫，昆虫吃更小的昆虫，最小的昆虫吃真菌或叶子。
食物网里有五六层并不算罕见。每一步都会有能量浪费，因为任何形式的呼吸作用都不可能有百分之百的效率。事实上，有氧呼吸的效率约为40%，而大部分别的呼吸形式（比如用铁或硫，不用氧）的效率不到10%。这意味着，如果不用氧气，只需两步，可用能量就会缩减到开始的1%，而用氧气的话，需要六步才会到这个状态。这又意味着只有有氧呼吸才能支持长的食物链。食物链经济学意味着捕食者可以生活在有氧气的世界里，而没有氧气，捕食作为生活方式是不划算的。
当然，捕食会导致捕食者和猎物之间的军备竞赛，让体积逐步加大。硬壳抵御牙齿，迷彩欺骗眼睛，体积则既能威吓捕食者也能威吓猎物。有了氧气，捕食就有价值；有了捕食者，体型就有价值。因此有了氧气，大生物不但是可以实现的，而且是很可能真正诞生的。
氧气还能帮助大生物的组建。胶原蛋白赋予动物拉伸能力。这是所有连接组织的主要蛋白，有的在骨头、牙齿和硬壳里钙化了，有的则在韧带、肌腱、软骨和皮肤里“裸露”着。
胶原蛋白是哺乳动物里最多的蛋白质，以躯体总蛋白25%的总量遥遥领先。而除了脊椎动物之外，它也是各种贝壳、角质、甲壳和纤维组织的关键成分。它是整个动物界的胶带和胶水。胶原蛋白的组成元件与众不同，它需要自由氧才能在相邻的蛋白纤维里建立横链，让整个结构拥有很高的拉伸强度。对自由氧的依赖，意味着有甲壳或骨骼的大型动物只有在大气氧含量足以支持胶原蛋白生产的时候才能演化出来——这个因素一定对5.43亿年前寒武纪初期大型动物的突然出现有所贡献，那时全球刚刚经历了大气氧含量的大幅增加。
胶原蛋白需要氧气可能看起来不过是偶然：如果没有胶原蛋白，为啥不用点儿别的不依赖氧气的东西呢？氧气真的是获得强度必不可少的东西，还是只不过是偶然的原料，碰巧被整合进了配方里，然后一直留在那里了？我们不知道，但值得注意的是高等植物也需要氧气来形成它们的结构支撑——木质素，一种极为强力的多聚物，让木材可以弯曲也不断裂。木质素的形成过程在化学上是很杂乱的，使用自由氧在链之间形成强有力的横桥。它们非常难以分解，这就是为什么木材如此结实，腐烂要花这么久。要是把木质素从树里面去掉——纸张生产厂一直在使用这个技巧，因为要从木浆中辛苦除掉木质素才能造纸——那么树就会瘫到地上，只需一阵轻风就能让它无法支撑自己的重量。
所以，没有氧气，就不会有大型动物或植物，不会有捕食者，不会有蓝天，可能也没有海洋，也许只有尘埃和细菌。
氧气毫无疑问是最珍贵的废料了，但是它不仅仅是个废料，还是一种非常不应该存在的废料。光合作用完全可以在地球、在火星甚至在宇宙中任何地方演化出来，而不放出一丝一毫的自由氧。那样几乎肯定会将任何生命限定在细菌程度的复杂性，让我们成为细菌宇宙中唯一的智慧生命。
氧气完全有可能无法在空气中积累，原因之一是呼吸作用。光合作用与呼吸作用是平等而对立的两个过程。
简而言之，光合作用把两种简单分子——二氧化碳和水——变成有机分子，使用阳光提供所需能量；呼吸作用正相反。当我们燃烧有机分子（食物）的时候，我们把二氧化碳和水送回空气中，释放出来的能量用来驱动我们的生命。我们所有的能量都是一束阳光，从食物的固着态中释放出来.
光合作用和呼吸作用的相互对立不仅是在它们的化学上，而且是在它们对全球的影响上。
如果没有呼吸作用，没有动物、真菌和细菌来燃烧植物，那么大气中所有的二氧化碳就会在很久以前都被吸走，变成生物质。然后一切都会多多少少停滞，只有火山和缓慢腐烂能释放出二氧化碳的涓涓细流。但是这和现实相距甚远。真正发生的是，呼吸作用烧掉了植物储存的所有有机分子，在地质学时间尺度上，植物只会在一阵烟雾中消失。这有一个深远的后果——光合作用释放到空气中的所有氧气都会被呼吸作用重新收走。这是一个长期的、不变的、永无止境的平衡，对任何行星而言都是死亡之吻。一颗行星获得氧气大气层的唯一方式——逃离火星红尘命运的唯一方式，就是得有一点植物物质能够完整保存，无视风雨侵袭，抵御生命想方设法将它分解掉的企图。这种物质必须被埋起来.
事就这样成了。埋起来的植物物质被保存下来，成了煤、石油、天然气、煤灰、木炭或尘埃，藏在地球深处的岩层里。人们认为地壳里“死掉”的有机碳要比整个活着的生物圈里的碳多26 000倍。每个碳原子都对应着空气中一个氧分子。我们每挖出来并烧掉一个碳原子的化石燃料，就意味着一分子的氧气被从空气中夺走，转化为二氧化碳，对气候带来严重然而难以预测的后果。幸运的是，光烧化石燃料是不可能把地球氧气耗尽的（虽然把气候搞得天翻地覆是挺有可能）：绝大部分有机碳的埋藏方式是微小的碎屑，藏在页岩这样的岩石里。
本文由王芳摘编自［英］尼克·莱恩著、张博然译《生命的跃升：40亿年演化史上的十大发明》一书“导论”及第三章部分，内容有删节。
ISBN 978-7-03-046428-6
在这个地球上，我们与生命最神奇的发明共同生活着。正是生命，把我们的星球从一块绕着年轻恒星公转的伤痕累累的炙热岩石，改造成了这座太空中的活灯塔；正是生命，使我们的星球充满蓝色与绿色，因为微小的光合细菌净化着大气与海洋，使之充满咝咝作响的氧气。在氧气的驱动下，生命在所有可想象的维度里爆发。繁花盛开招蜂引蝶，金色的鱼儿躲进缠结的珊瑚，巨大怪物潜伏在漆黑的深渊里，树木的枝条伸向天空，动物沉睡、醒来、看见一切。而在这所有一切之中，我们被造物的无尽谜题深深触动，我们这些宇宙中的分子集合体感知、思索、惊讶与好奇着我们是怎样抵达此时此地的。
《生命的跃升：40亿年演化史上的十大发明》讲的是演化的最伟大发明，讲的是每一次变革如何改变生命世界，以及我们人类怎样学会读懂这些历史——用到的精巧机智足可媲美自然之力。这是生命伟大创造力的庆典，也是对我们自己的礼赞。事实上，这本书讲的就是我们走到今天的历程——从生命起源到我们自己的生死，这条史诗之路沿途的各座里程碑。这是一本宏大的书。我们将跨越生命的广度与长度，从它最初在深海热泉的起源到人类的意识诞生，从微观细菌到庞然恐龙。我们将纵览各个学科，从地质和化学到神经影像，从量子物理到行星科学。我们还将追溯人类历史，从上古史诗《吉尔伽美什》到最新近的研究，从史上最著名的科学家到如今鲜为人知的研究者（但我希望，他们注定将来会大放异彩）。在这里抢先读到他们的英姿吧！
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