據外媒報道，一項新研究顯示，含氧光合作用很可能是在34億年前至29億年前演化而來的。在地球早期歷史的某個時期，當一群被稱為藍藻細菌的進取型微生物進化出含氧光合作用–將光和水轉化為能量的能力並在此過程中釋放出氧氣時，地球朝着可居住的方向發展。
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這一進化時刻使得氧氣最終在大氣和海洋中積累成為可能，並引發了多樣化的多米諾骨牌效應、塑造了我們今天所知的獨特的宜居星球。
現在，來自麻省理工學院(MIT)的科學家們對藍藻細菌和生氧光合作用的最初起源時間有了一個精確的估算。他們的研究結果於2021年9月29日發表在《Proceedings of the Royal Society B》上。
他們開發了一種新的基因分析技術。這項技術表明今天生活的所有藍藻物種都可以追溯到約29億年前進化的一個共同祖先。他們還發現，藍藻細菌的祖先在約34億年前從其他細菌中分化出來，含氧光合作用很可能是在這5億年的間隔時間裡，也就是在太古時代進化出來的。
有趣的是，這一估計將含氧光合作用的出現至少置於大氧化事件之前4億年，在這個時期，地球的大氣和海洋首次經歷了氧氣的上升。這表明，藍藻細菌可能很早就進化出了生產氧氣的能力，但這種氧氣需要一段時間才能真正在環境中佔有一席之地。
“在進化過程中，事情總是從小開始，”論文主要作者Greg Fournier說道，“即使有早期含氧光合作用的證據–這是地球上唯一最重要和真正驚人的進化創新–它仍然需要數億年的時間才能起飛。”Fournier是MIT地球、大氣和行星科學系的地質生物學副教授。
Fournier在該學院的合作者包括Kelsey Moore、Luiz Thiberio Rangel、Jack Payette、Lily Momper和Tanja Bosak。
緩慢的導火線，還是野火？
對含氧光合作用起源的估計有着很大差異，追蹤其演變的方法也是如此。像科學家可以使用地球化學工具來尋找古代岩石中的氧化元素的痕迹。這些方法已經發現了早在35億年前就存在氧氣的暗示–這表明含氧光合作用可能是其來源，不過其他來源也是可能的。
另外研究人員還使用了分子鐘年代測定法，它使用今天的微生物的基因序列來追溯進化歷史中的基因變化。根據這些序列，研究人員使用模型來估計基因變化發生的速度以追蹤生物體群體首次進化的時間。但分子鐘年代測定法受限於古代化石的質量以及所選擇的速率模型，它可以產生不同的年齡估計，這取決於所假設的速率。
Fournier表示，不同的年齡估計可能意味着相互衝突的進化敘述。像一些分析表明含氧光合作用很早就進化了，並且“像一個緩慢的導火線”，而其他分析則表明它出現得更晚，然後“像野火一樣起飛”從而引發了大氧化事件和生物圈中的氧氣積累。
“為了讓我們了解地球上的可居住性歷史，我們必須區分這些假說，”Fournier說道。
水平基因
為了精確測定藍藻和含氧光合作用的起源，Fournier和他的同事將分子鐘年代測定法跟水平基因轉移配對–這是一種不完全依賴化石或速率假設的獨立方法。
通常情況下，一個生物體會“垂直”繼承一個基因，當它從生物體的父母那裡傳下來時。在罕見的情況下，一個基因還可以從一個物種跳到另一個遠緣物種。入一個細胞可能會吃掉另一個並在這個過程中把一些新的基因納入其基因組。
當發現這樣的水平基因轉移歷史時，很明顯，獲得該基因的生物群體在進化上比該基因的來源群體年輕。Fournier推斷，這種情況可以用來確定某些細菌群體之間的相對年齡。然後可以將這些群體的年齡跟各種分子鐘模型所預測的年齡進行比較。最接近的模型可能是最準確的，然後可以用來精確估計其他細菌物種–特別是藍藻細菌的年齡。
根據這一推理，研究小組在包括藍藻細菌在內的數千個細菌物種的基因組中尋找水平基因轉移的實例。他們還使用了由Bosak和Moore拍攝的現代藍藻的新培養物以更精確地使用化石藍藻作為校準。最後，他們確定了34個明確的水平基因轉移的例子。然後他們發現，六個分子鐘模型中的一個跟團隊的水平基因轉移分析中確定的相對年齡一致。
Fournier運行這個模型來估算藍藻 “皇冠”組的年齡，該組包括了所有今天生活的物種並且已知表現出含氧光合作用。他們發現，在太古時代，冠狀菌群起源於約29億年前，而藍藻細菌作為一個整體從其他細菌中分化出來的時間是34億年前。這強烈地表明，在大氧化事件(GOE)之前的5億年，含氧光合作用已經發生，並且在大氣中積累氧氣之前，藍藻細菌就已經生產了相當長的時間。
分析還顯示，在GOE發生前不久，約24億年前，藍藻經歷了一個多樣化的爆發期。這意味着，藍藻的快速擴張可能使地球進入了全球環境行動並將氧氣發射到大氣中。
加州大學河濱分校生物地球化學教授Timothy Lyons說道：“這篇新論文以新的方式將化石記錄跟基因組數據連接起來，包括水平基因轉移，從而對地球的含氧量歷史提出了新的見解。這些結果說明了生物氧氣生產的開始及其生態意義，為海洋最早的含氧量和後來在大氣中的積累的模式和控制提供了重要的約束。
Fournier計劃將水平基因轉移應用於藍藻之外以確定其他難以捉摸的物種的起源。
Fournier說道：“這項工作表明，包含水平基因轉移(HGTs)的分子鐘有望可靠地提供整個生命樹的群體年齡，即使是沒有留下化石記錄的古代微生物……而這在以前是不可能的。”