據外媒報道，一項新研究將早期地球的含氧量與更大、更複雜的生物體聯繫起來的假說推翻了。佐治亞理工學院的研究人員報告了一個更複雜的影響。科學家們長期以來一直認為，大氣中氧氣的增加（始於25億年前的大氧化事件）與大型複雜多細胞生物的興起之間有直接的聯繫。
這一理論，即“氧氣控制假說”，表明這些早期多細胞生物的大小受限於氧氣能夠擴散到它們體內的深度。該假說提出了一個簡單的預測，在進化生物學和地球科學中都有很大的影響。更多的大氣氧氣應該總是增加多細胞生物可以生長的大小。
事實證明，這一假設很難在實驗室中得到驗證。然而，佐治亞理工學院的一個研究小組找到了一種方法–使用定向進化、合成生物學和數學建模–所有這些都被用於一個簡單的多細胞生命體，稱為 “雪花酵母”。結果是什麼？關於早期地球的含氧量和大型多細胞生物的興起之間的相關性的重要新信息–而且這都是關於我們最早的一些多細胞祖先究竟有多少氧氣可用。
“氧氣對多細胞進化的積極影響完全是劑量依賴性的–我們星球的第一次含氧量會強烈制約而不是促進多細胞生命的進化，”生物科學學院的研究科學家和該研究的主要作者G. Ozan Bozdag解釋說。“氧氣對多細胞大小的積極影響可能只有在它達到高水平時才能實現。”
“我們表明，氧氣的影響比以前想象的要複雜。喬治亞理工學院的研究人員 Will Ratcliff指出：“事實上，全球氧氣的早期增加應該強烈制約宏觀多細胞的進化，而不是選擇更大和更複雜的生物體。”
他補充說：“人們長期以來一直認為，地球表面的含氧量對大型複雜多細胞生物的進化是有幫助的–有些人甚至說這是一個先決條件。但是從來沒有人直接測試過這一點，因為我們沒有一個模型系統，它既能快速經歷很多代的進化，又能在全部氧氣條件下生長。”
然而，研究人員能夠用 “雪花酵母”做到這一點， “雪花酵母”是能夠快速進化的簡單多細胞生物。通過改變它們的生長環境，他們在實驗室里對 “雪花酵母”進行了800多代的進化，選擇了更大的尺寸。
結果令 Bozdag感到驚訝。他說：“我驚訝地看到，當多細胞酵母不能使用氧氣時，它們的尺寸迅速翻倍，而在適度含氧環境中進化的種群則完全沒有顯示出尺寸的增加。”他說：“這種效應是強大的–甚至在更長的時間尺度上。”
該團隊在研究中指出：”當我們的酵母沒有氧氣或有大量的氧氣時，大尺寸很容易進化，但當氧氣存在於低水平時就不容易。”Ratcliff說。”我們做了更多的工作，以表明這實際上是一個完全可預測和可理解的結果，即氧氣在限制時，作為一種資源–如果細胞可以獲得它，它們就會獲得很大的代謝利益。當氧氣稀缺時，它不能很好地擴散到生物體內，因此多細胞生物有一種進化的動機，即允許它們的大部分細胞獲得氧氣–當氧氣根本不存在時，或者當周圍有足夠的氧氣可以更深入地擴散到組織中時，這種限制就不存在了。”
Ratcliff表示，他的研究小組的工作不僅挑戰了氧氣控制假說，而且還幫助科學家理解為什麼在大氧化事件之後的十億年裡，多細胞生物世界中很少發生明顯的進化創新。Ratcliff解釋說，地質學家將這一時期稱為地球歷史上的 “無聊的十億年”–也被稱為地球歷史上最沉悶的時期，以及地球的中世紀–這一時期的氧氣存在於大氣中，但水平很低，多細胞生物保持相對較小和簡單。
Bozdag對這項研究的獨特性質補充了另一個見解。他說：“以前的工作主要通過氣體擴散的物理原理研究氧氣和多細胞大小之間的相互作用。雖然這種推理是必不可少的，但在研究我們星球上複雜多細胞生命的起源時，我們也需要對達爾文進化論的原則進行包容性的考慮。”Bozdag補充說，最終能夠通過許多代的進化來推進生物體的發展，幫助研究人員實現了這一點。