古代微生物可能在氧氣充滿地球大氣層之前 5 億年前就已經使用了氧氣

現在，麻省理工學院的研究人員提供的證據表明，某些生命形式可能在 GOE 出現之前數億年就已經學會了使用氧氣。他們的發現可能代表了地球上有氧呼吸的一些早期跡象。

在發表於的研究中 古地理、古氣候、古生態學麻省理工學院的地球生物學家研究了一種使生物體消耗氧氣的關鍵酵素的起源。這種酵素存在於現今大多數有氧呼吸的生物中。研究小組確定，它首先在中生代演化，這是一個發生在大氧化事件前數億年的地質時代。

他們的發現可能有助於解答地球歷史上一個長期存在的謎團。如果產氧微生物出現得這麼早，為什麼氧氣要花這麼長時間才能在大氣中累積？

藍綠藻和早期氧氣產生

第一個已知的氧氣生產者是藍細菌。這些微生物已經進化出透過光合作用利用陽光和水的能力，並釋放氧氣作為副產品。科學家估計藍藻細菌出現在約29億年前。這意味著它們很可能在大氧化事件發生之前的數億年裡一直在產生氧氣。

那麼早期的氧氣到底發生了什麼事？

研究人員長期以來一直懷疑與岩石的化學反應會清除環境中的大部分岩石。麻省理工學院的新研究表明，生物體可能也在消耗它。

研究小組發現的證據表明，早在 GOE 出現之前，一些微生物就利用這種酵素進化出氧氣。生活在藍藻附近的生物可以利用這種酵素在產生氧氣時快速消耗少量氧氣。如果是這樣，早期生命可能已經使大氣中氧氣的累積減緩了數億年。

「這極大地改變了有氧呼吸的情況，」該研究的合著者、麻省理工學院地球、大氣和行星科學系 (EAPS) 的博士後研究員法蒂瑪·侯賽因 (Fatima Hussein) 說。 “我們的研究補充了最近出現的這個故事，即生命可能比以前想像的更早地使用氧氣。它向我們展示了生命在地球歷史的各個時期是多麼令人難以置信的創新。”

其他合著者包括麻省理工學院地球生物學副教授格雷戈里·福尼爾（Gregory Fournier）以及俄勒岡大學的張海濤和斯蒂利亞諾斯·盧卡（Stylianos Luca）。

追蹤有氧呼吸的起源

這項工作建立在麻省理工學院多年的研究基礎上，旨在重建地球上氧氣的歷史。先前的研究證明，藍藻在大約 29 億年前就開始產生氧氣，而氧氣直到大約 23.3 億年前的大氧化事件期間才在大氣中永久累積。

對於侯賽因和她的同事來說，這種漫長的差距提出了一個重要的問題。

「我們知道，產生氧氣的微生物早在大氧化事件發生之前就已經存在，」侯賽因說。 “所以很自然地要問，當時有沒有生命可以利用這種氧氣進行有氧呼吸？”

如果某些生物體確實使用氧氣，即使是少量，它們也可能有助於在很長一段時間內保持大氣水平較低。

為了探索這個想法，研究人員重點研究了血紅素氧和銅的還原。這些酵素對於有氧呼吸至關重要，因為它們將氧氣轉化為水。它存在於當今大多數呼吸氧氣的生物體中，從細菌到人類。

「我們在分析中瞄準了這種酶的核心，因為這是與氧氣反應實際發生的地方，」侯賽因解釋道。

將酵素映射到生命樹上

研究小組著手確定這種酵素首次出現的時間。他們確定了其基因序列，然後搜尋了包含數百萬個物種的龐大基因組資料庫，以找到匹配的序列。

「這項工作最困難的部分是我們有大量數據，」福尼爾說。 「這種酶無處不在，存在於大多數現代生物體中。因此，我們必須對數據進行採樣，並將其過濾成一個數據集，該數據集代表現代生活的多樣性，並且足夠小，可以進行計算，這並不簡單。”

將數據範圍縮小到數千個物種後，研究人員將酵素序列繪製到生命演化樹上。這使他們能夠估計不同分支何時出現。

當發現特定生物體的化石證據時，科學家會利用其估計年齡來確定該樹的分支。透過應用多個基於化石的時間點，他們改進了對酵素進化時間的估計。

他們的分析將這種酵素追溯到中生代，從 3.2 億年前延伸到 28 億年前。研究人員認為，這是酵素和利用氧氣的能力首次出現的時候。這個時間框架比大氧化事件早了幾億年。

結果表明，在藍藻開始產生氧氣後不久，其他生物體就進化出了消耗氧氣的機制。生活在藍綠藻附近的微生物可以快速吸收釋放的氧氣。透過這樣做，這些早期的需氧生物可能幫助阻止了大氣中氧氣的累積數億年。

「總的來說，麻省理工學院的研究填補了我們關於地球氧氣如何產生的知識空白，」侯賽因說。 “拼圖的各個部分拼湊在一起，真正強調了生命如何在這個充滿氧氣的新世界中成功地多樣化和生存。”

這項研究得到了科學促進研究基金會 Scialog 計劃的部分支持。