大氣氧為何“遲到”數(shù)億年？

最早的呼吸者

氧氣是現(xiàn)如今地球上的一種至關(guān)重要且穩(wěn)定存在的成分。但情況并非一直如此。目前形成的總體認(rèn)識是：地球上最早的產(chǎn)氧者是大約在29億年前出現(xiàn)的藍(lán)細(xì)菌——這類微生物進(jìn)化出了利用陽光和水進(jìn)行光合作用的能力，并將氧氣作為副產(chǎn)物釋放出來。但直到大約23億年前，氧氣在一個被稱為大氧化事件（GOE）的階段，才成為大氣中長期穩(wěn)定的成分。

氧氣的“最早產(chǎn)生”與“最終能在大氣中持續(xù)存在”之間，存在著顯著的時間滯后。這就引發(fā)了一個長期未解的謎題：為什么氧氣需要如此漫長的時間，才得以在大氣中逐步累積起來？藍(lán)細(xì)菌在早期產(chǎn)生的氧氣都到哪里去了？

科學(xué)家懷疑，在早期階段，巖石可能通過多種地球化學(xué)反應(yīng)“消耗”了相當(dāng)大一部分氧氣。而現(xiàn)在，一項新的研究提出了另一種可能，表明生物過程可能也在其中起到了作用。

在新研究中，研究團(tuán)隊追溯了一種使生物能夠利用氧氣的關(guān)鍵酶的進(jìn)化起源。這種酶存在于當(dāng)今絕大多數(shù)需氧、以氧呼吸的生命體中。他們的研究結(jié)果表明，這種酶是在比大氧化事件早數(shù)億年的中太古代進(jìn)化而來的。這意味著，一些早期生命形式可能在中太古代就進(jìn)化出了利用氧氣的能力。

給生命樹定年

具體來說，他們發(fā)現(xiàn)在大氧化事件發(fā)生前數(shù)億年，一些生物可能已經(jīng)進(jìn)化出了用于利用氧氣的酶。這種酶可能使得生活在藍(lán)細(xì)菌附近的生物，能夠迅速“吞噬”微生物產(chǎn)生的哪怕是少量氧氣；結(jié)果便是將氧氣在大氣中的累積過程推遲了數(shù)億年。

在新的研究中，研究人員想知道，在最早的產(chǎn)氧者出現(xiàn)之后，是否也存在某些生命，能夠把這些氧氣用于有氧呼吸？他們認(rèn)為，如果當(dāng)時確實有某些生命形式可以利用氧氣——哪怕只是少量，也可能在一定時期內(nèi)阻止氧氣在大氣中不斷累積。

為了檢驗這種可能性，研究團(tuán)隊把目光投向了一類對有氧呼吸至關(guān)重要的酶——血紅素-銅型氧還原酶（HCO）。這類酶能把氧氣還原為水，從細(xì)菌到人類，絕大多數(shù)以氧呼吸的需氧生物體內(nèi)都有它們的身影。

研究團(tuán)隊把分析重點放在了這種酶的核心區(qū)域，因為氧氣參與的反應(yīng)正發(fā)生在這里。他們的目標(biāo)是沿著時間軸向過去追溯這種酶的進(jìn)化歷程，看看它最早在何時出現(xiàn)，從而使生物具備利用氧氣的能力。

他們首先確定了與這種酶對應(yīng)的基因序列，然后利用自動化檢索工具，在包含數(shù)百萬種不同生物基因組信息的數(shù)據(jù)庫中尋找相同序列——這是這項工作中最難的部分：這種酶幾乎無處不在，存在于大多數(shù)現(xiàn)代生物體中，數(shù)據(jù)量極其龐大。因此研究人員必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣和篩選，把它壓縮成一個既能代表現(xiàn)代生命多樣性、又足夠小、便于計算的數(shù)據(jù)集。

最終，研究團(tuán)隊從數(shù)千種現(xiàn)代物種中提取出了這種酶的序列，并依據(jù)科學(xué)界對各物種何時出現(xiàn)、何時分化的既有認(rèn)識，把這些序列繪制到一棵“生命進(jìn)化樹”上。隨后，他們在這棵樹中尋找那些可能為“起源時間”提供線索的特定物種。

例如，如果進(jìn)化樹上的某個生物存在化石記錄，那么這條記錄通常會含有該生物出現(xiàn)在地球上的時間估計。研究團(tuán)隊會用化石的年代來為進(jìn)化樹上的這一生物“釘”上一個時間點。 同理，他們可以在樹上的多個位置“釘”上時間點，從而有效收緊對這種酶在不同譜系間進(jìn)化更替所發(fā)生時間的估計范圍。

最終，研究人員將這種酶一路追溯到中太古代——這是一個從32億年前持續(xù)到28億年前的地質(zhì)時期。研究團(tuán)隊?wèi)岩桑?strong>正是在這一時期，這種酶首次出現(xiàn)——而這比大氧化事件早了數(shù)億年。

改寫有氧呼吸與地球增氧史

這些發(fā)現(xiàn)可能構(gòu)成了地球上最早期的有氧呼吸證據(jù)之一。它表明，在藍(lán)細(xì)菌進(jìn)化出產(chǎn)氧能力后不久，其他生物也進(jìn)化出了可利用氧氣的這種酶。任何碰巧生活在藍(lán)細(xì)菌附近的此類生物，都能迅速吸收藍(lán)細(xì)菌不斷產(chǎn)生的氧氣。這些早期的需氧生物于是可能在一定程度上阻止氧氣“逸入”大氣，從而把氧氣在大氣中的累積推遲了數(shù)億年。

這項研究極大地改寫了關(guān)于有氧呼吸的敘事，它表明生物過程在消耗最早產(chǎn)生的氧氣方面可能也扮演了角色。這為一種近年來逐漸浮現(xiàn)的觀點增添了新證據(jù)：生命利用氧氣的時間，可能遠(yuǎn)早于人們此前的認(rèn)識。它也向人們展示了，在地球歷史的各個時期，生命都擁有令人驚嘆的創(chuàng)新能力。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/some-early-life-forms-may-have-breathed-oxygen-before-filling-atmosphere-0206

https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2025.113531

#圖片來源：

封面圖&首圖：Husain et al. via MIT News