今天，氧气主导着地球大年夜气，对包含人类在内的大年夜多半生命形态至关重要。然而，科学家广泛认为，直到大年夜约23亿年前的“巨大年夜氧化事宜”（Great Oxidation Event，简称 GOE），氧气才真正成为大年夜气的持久构成部分，进而推动了依附氧气生命的大年夜范围鼓起。如今，麻省理工学院（MIT）地球生物学家的新研究则指出，在这场关键事宜到来之前良久，一些古老生物可能已经“学会”应用氧气进行呼吸，这一证据或将成为今朝发明的最早有氧呼吸生物迹象之一。
研究团队在揭橥于期刊《古地舆、古气候、古生态》（Palaeogeography， Palaeoclimatology， Palaeoecology）的论文中，追溯了一类与有氧呼吸密切相干的关键酶——血红素-铜氧还原酶（heme-copper oxygen reductases）的来源。这类酶在现代大年夜量依附氧气的生物中广泛存在，从细菌到人类，都依附它来将氧气还原为水，是有氧呼吸的核心分子“发念头”。研究成果显示，这一酶家族最早可能涌如今中邃古代（Mesoarchean），也就是在氧气成为大年夜气稳定成分的数亿年前。
这一发明为早期地球的一个经久谜题供给了新的线索：假如产氧感化在巨大年夜氧化事宜之前就已经开端，为什么氧气却久久未能在大年夜气中积聚？今朝已知最早的产氧者是蓝细菌，它们演变出应用阳光和水进行光合感化、并释放氧气的才能，相干研究估计其出现时光约在29亿年前。这意味着，在大年夜气氧含量真正大年夜幅晋升之前，蓝细菌可能已经源源赓续地产生氧气长达数亿年。那么，这些早期氧气毕竟去了哪里？
以前的主流解释认为，地球岩石圈经由过程一系列地球化学反响“吞噬”了大年夜量早期氧气，例如与还原态铁和硫反响，形成沉积矿物，将氧气锁入岩石之中。MIT团队的新研究则注解，除了地质感化之外，生物过程也可能是一个重要“氧气消费通道”。研究人员发明，一些生物可能在巨大年夜氧化事宜前数亿年就已经演变出应用上述氧还原酶的才能，从而可以在蓝细菌邻近高效“抢占”微量氧气，进一步推迟了氧气在大年夜气中的累积时光。
“这项工作在很大年夜程度上改变了我们讲述有氧呼吸来源的方法。”论文合著者之一、MIT 地球、大年夜气与行星科学系（EAPS）博士后法蒂玛·侯赛因（Fatima Husain）表示，“我们的研究为一个方才浮现的图景增加了新的证据：生命可能远比我们想象得更早开端应用氧气，这再次显示出身命在地球汗青各个时代都具有惊人的立异才能。”论文的其他作者包含 MIT 地球生物学副传授格雷戈里·富尼耶（Gregory Fournier），以及合作者尚海涛（Haitao Shang）和斯蒂利亚诺斯·卢卡（Stilianos Louca）。
这项研究延续了 MIT 在重构地球氧化汗青方面的一系列工作。此前相干研究已赞助厘清巨大年夜氧化事宜的大年夜致时光，并寻找到了早期蓝细菌产氧行动的证据，形成的共鸣是：蓝细菌大年夜约在29亿年前开端产生氧气，而大年夜气中氧气的持久升高则产生在约23.3亿年前。面对这两者之间长达数亿年的时光差，侯赛因等人提出了一个直不雅问题：既然产氧微生物早已存在，那么当时是否也有其他生命情势具备应用氧气进行有氧呼吸的才能？假如谜底是肯定的，那么即便氧气浓度极低，这些早期“耗氧”生命也可能在相当长时光内赓续消费氧气，从而阻碍大年夜气氧含量的快速晋升。
为验证这一假想，研究团队将眼光聚焦到血红素-铜氧还原酶这一有氧呼吸关键酶家族。这类酶经由过程催化氧气还原为水，驱动细胞能量代谢，是当今多半有氧“呼吸”生物（包含很多细菌和人类在内）弗成或缺的构成部分。“我们选择分析该酶的核心构造区域，因为真正与氧产生反响的就是这里。”侯赛因解释说。
研究人员起首肯定了该酶的核心基因序列，并应用主动化检索对象，在包含数百万种生物基因组的数据集中搜寻响应序列。“最难的一点在于数据太多。”富尼耶表示，“这种酶几乎无处不在，存在于大年夜多半现代生物体内。是以我们必须在包管现代生命多样性代表性的前提下，抽样和筛选出一份范围足够小、可以进行计算分析的数据集，这一点一点也不简单。”
经由过程这一“分子时钟”办法，研究团队将血红素-铜氧还原酶的来源时光追溯到了中邃古代——一个大年夜约距今32亿年至28亿年前的地质时代。研究人员推想，恰是在这一时代，生命初次获得了借助该酶应用氧气的才能，而这一时光点比巨大年夜氧化事宜早了数亿年。新成果也注解，在蓝细菌演变出产氧才能后不久，其他生命情势便敏捷演变出应用这些氧气的酶体系，任何生活在蓝细菌四周的微生物都可能第一时光“截获”后者释放的氧气。这些早期有氧生物或许在很长时光里充当了“氧气汇”，从而在地质时光标准上延缓了氧气逃逸到大年夜气中、并达到稳定浓度的过程。
“综合来看，MIT 的相干研究正慢慢弥补我们对地球氧化过程认知中的空白。”侯赛因表示，“一个个拼图正在拼合，凸显出身命如安在慢慢氧化的新世界中实现多样化与扩大。”
最终，团队从数千种现代物种中提掏出了相干酶的序列，并将这些序列映射到一个“生命进化树”上，该进化树基于现有研究对不合物种来源时光和演变分支关系的揣摸而构建。随后，研究人员在这棵树上寻找具有化石记录或时光束缚的物种节点，用这些节点的地质年代给响应分支“打点”，慢慢收紧酶演变时光的高低限区间。经由过程在进化树上多点“锚定”，他们可以或许追溯这类酶在不合谱系间传播和分化的大年夜致时光范围。
编译自/ScitechDaily
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