研究發現生命學會呼吸氧氣的時間比科學家想象早了數億年

一項最新研究顯示，地球上生命利用氧氣進行有氧呼吸的能力，可能在大氣中氧氣真正大量穩定積累之前的數億年就已出現，從而改寫了科學界對早期地球演化和生命創新時間表的傳統認知。

今天，氧氣主導著地球大氣，對包括人類在內的大多數生命形態至關重要。然而，科學家普遍認為，直到大約23億年前的“偉大氧化事件”（Great Oxidation Event，簡稱 GOE），氧氣才真正成為大氣的持久組成部分，進而推動了依賴氧氣生命的大規模興起?，F在，麻省理工學院（MIT）地球生物學家的新研究則指出，在這場關鍵事件到來之前很久，一些古老生物可能已經“學會”利用氧氣進行呼吸，這一證據或將成為目前發現的最早有氧呼吸生物跡象之一。

研究團隊在發表于期刊《古地理、古氣候、古生態》（Palaeogeography， Palaeoclimatology， Palaeoecology）的論文中，追溯了一類與有氧呼吸密切相關的關鍵酶——血紅素-銅氧還原酶（heme-copper oxygen reductases）的起源。這類酶在現代大量依賴氧氣的生物中廣泛存在，從細菌到人類，都依靠它來將氧氣還原為水，是有氧呼吸的核心分子“發動機”。研究結果顯示，這一酶家族最早可能出現在中太古代（Mesoarchean），也就是在氧氣成為大氣穩定成分的數億年前。

這一發現為早期地球的一個長期謎題提供了新的線索：如果產氧作用在偉大氧化事件之前就已經開始，為什么氧氣卻久久未能在大氣中積累？目前已知最早的產氧者是藍細菌，它們演化出利用陽光和水進行光合作用、并釋放氧氣的能力，相關研究估計其出現時間約在29億年前。這意味著，在大氣氧含量真正大幅提升之前，藍細菌可能已經源源不斷地產生氧氣長達數億年。那么，這些早期氧氣究竟去了哪里？

過去的主流解釋認為，地球巖石圈通過一系列地球化學反應“吞噬”了大量早期氧氣，例如與還原態鐵和硫反應，形成沉積礦物，將氧氣鎖入巖石之中。MIT團隊的新研究則表明，除了地質作用之外，生物過程也可能是一個重要“氧氣消耗通道”。研究人員發現，一些生物可能在偉大氧化事件前數億年就已經演化出利用上述氧還原酶的能力，從而可以在藍細菌附近高效“搶占”微量氧氣，進一步推遲了氧氣在大氣中的累積時間。

“這項工作在很大程度上改變了我們講述有氧呼吸起源的方式?！闭撐暮现咧?、MIT 地球、大氣與行星科學系（EAPS）博士后法蒂瑪·侯賽因（Fatima Husain）表示，“我們的研究為一個剛剛浮現的圖景增添了新的證據：生命可能遠比我們想象得更早開始利用氧氣，這再次顯示出生命在地球歷史各個時期都具有驚人的創新能力?！闭撐牡钠渌髡甙?MIT 地球生物學副教授格雷戈里·富尼耶（Gregory Fournier），以及合作者尚海濤（Haitao Shang）和斯蒂利亞諾斯·盧卡（Stilianos Louca）。

這項研究延續了 MIT 在重構地球氧化歷史方面的一系列工作。此前相關研究已幫助厘清偉大氧化事件的大致時間，并尋找到了早期藍細菌產氧行為的證據，形成的共識是：藍細菌大約在29億年前開始產生氧氣，而大氣中氧氣的持久升高則發生在約23.3億年前。面對這兩者之間長達數億年的時間差，侯賽因等人提出了一個直觀問題：既然產氧微生物早已存在，那么當時是否也有其他生命形式具備利用氧氣進行有氧呼吸的能力？如果答案是肯定的，那么即便氧氣濃度極低，這些早期“耗氧”生命也可能在相當長時間內不斷消耗氧氣，從而阻礙大氣氧含量的快速提升。

為驗證這一設想，研究團隊將目光聚焦到血紅素-銅氧還原酶這一有氧呼吸關鍵酶家族。這類酶通過催化氧氣還原為水，驅動細胞能量代謝，是當今多數有氧“呼吸”生物（包括許多細菌和人類在內）不可或缺的組成部分?！拔覀冞x擇分析該酶的核心結構區域，因為真正與氧發生反應的就是這里?！焙钯愐蚪忉屨f。

研究人員首先確定了該酶的核心基因序列，并利用自動化檢索工具，在包含數百萬種生物基因組的數據集中搜尋相應序列。“最難的一點在于數據太多?！备荒嵋硎?，“這種酶幾乎無處不在，存在于大多數現代生物體內。因此我們必須在保證現代生命多樣性代表性的前提下，抽樣和篩選出一份規模足夠小、可以進行計算分析的數據集，這一點一點也不簡單?！?/p>

最終，團隊從數千種現代物種中提取出了相關酶的序列，并將這些序列映射到一個“生命進化樹”上，該進化樹基于現有研究對不同物種起源時間和演化分支關系的推斷而構建。隨后，研究人員在這棵樹上尋找具有化石記錄或時間約束的物種節點，用這些節點的地質年代給相應分支“打點”，逐步收緊酶演化時間的上下限區間。通過在進化樹上多點“錨定”，他們能夠追溯這類酶在不同譜系間傳播和分化的大致時間范圍。

通過這一“分子時鐘”方法，研究團隊將血紅素-銅氧還原酶的起源時間追溯到了中太古代——一個大約距今32億年至28億年前的地質時期。研究人員推測，正是在這一時期，生命首次獲得了借助該酶利用氧氣的能力，而這一時間點比偉大氧化事件早了數億年。新結果也表明，在藍細菌演化出產氧能力后不久，其他生命形式便迅速演化出利用這些氧氣的酶系統，任何生活在藍細菌周圍的微生物都可能第一時間“截獲”后者釋放的氧氣。這些早期有氧生物或許在很長時間里充當了“氧氣匯”，從而在地質時間尺度上延緩了氧氣逃逸到大氣中、并達到穩定濃度的過程。

“綜合來看，MIT 的相關研究正逐步填補我們對地球氧化歷程認知中的空白?！焙钯愐虮硎?，“一個個拼圖正在拼合，凸顯出生命如何在逐步氧化的新世界中實現多樣化與擴張?！?/p>

編譯自/ScitechDaily