一项最新研究显示，地球上生命利用氧气进行有氧呼吸的能力，可能在大气中氧气真正大量稳定积累之前的数亿年就已出现，从而改写了科学界对早期地球演化和生命创新时间表的传统认知。
今天，氧气主导着地球大气，对包括人类在内的大多数生命形态至关重要。然而，科学家普遍认为，直到大约23亿年前的“伟大氧化事件”（Great Oxidation Event，简称 GOE），氧气才真正成为大气的持久组成部分，进而推动了依赖氧气生命的大规模兴起。现在，麻省理工学院（MIT）地球生物学家的新研究则指出，在这场关键事件到来之前很久，一些古老生物可能已经“学会”利用氧气进行呼吸，这一证据或将成为目前发现的最早有氧呼吸生物迹象之一。
研究团队在发表于期刊《古地理、古气候、古生态》（Palaeogeography， Palaeoclimatology， Palaeoecology）的论文中，追溯了一类与有氧呼吸密切相关的关键酶——血红素-铜氧还原酶（heme-copper oxygen reductases）的起源。这类酶在现代大量依赖氧气的生物中广泛存在，从细菌到人类，都依靠它来将氧气还原为水，是有氧呼吸的核心分子“发动机”。研究结果显示，这一酶家族最早可能出现在中太古代（Mesoarchean），也就是在氧气成为大气稳定成分的数亿年前。
这一发现为早期地球的一个长期谜题提供了新的线索：如果产氧作用在伟大氧化事件之前就已经开始，为什么氧气却久久未能在大气中积累？目前已知最早的产氧者是蓝细菌，它们演化出利用阳光和水进行光合作用、并释放氧气的能力，相关研究估计其出现时间约在29亿年前。这意味着，在大气氧含量真正大幅提升之前，蓝细菌可能已经源源不断地产生氧气长达数亿年。那么，这些早期氧气究竟去了哪里？
过去的主流解释认为，地球岩石圈通过一系列地球化学反应“吞噬”了大量早期氧气，例如与还原态铁和硫反应，形成沉积矿物，将氧气锁入岩石之中。MIT团队的新研究则表明，除了地质作用之外，生物过程也可能是一个重要“氧气消耗通道”。研究人员发现，一些生物可能在伟大氧化事件前数亿年就已经演化出利用上述氧还原酶的能力，从而可以在蓝细菌附近高效“抢占”微量氧气，进一步推迟了氧气在大气中的累积时间。
“这项工作在很大程度上改变了我们讲述有氧呼吸起源的方式。”论文合著者之一、MIT 地球、大气与行星科学系（EAPS）博士后法蒂玛·侯赛因（Fatima Husain）表示，“我们的研究为一个刚刚浮现的图景增添了新的证据：生命可能远比我们想象得更早开始利用氧气，这再次显示出生命在地球历史各个时期都具有惊人的创新能力。”论文的其他作者包括 MIT 地球生物学副教授格雷戈里·富尼耶（Gregory Fournier），以及合作者尚海涛（Haitao Shang）和斯蒂利亚诺斯·卢卡（Stilianos Louca）。
这项研究延续了 MIT 在重构地球氧化历史方面的一系列工作。此前相关研究已帮助厘清伟大氧化事件的大致时间，并寻找到了早期蓝细菌产氧行为的证据，形成的共识是：蓝细菌大约在29亿年前开始产生氧气，而大气中氧气的持久升高则发生在约23.3亿年前。面对这两者之间长达数亿年的时间差，侯赛因等人提出了一个直观问题：既然产氧微生物早已存在，那么当时是否也有其他生命形式具备利用氧气进行有氧呼吸的能力？如果答案是肯定的，那么即便氧气浓度极低，这些早期“耗氧”生命也可能在相当长时间内不断消耗氧气，从而阻碍大气氧含量的快速提升。
为验证这一设想，研究团队将目光聚焦到血红素-铜氧还原酶这一有氧呼吸关键酶家族。这类酶通过催化氧气还原为水，驱动细胞能量代谢，是当今多数有氧“呼吸”生物（包括许多细菌和人类在内）不可或缺的组成部分。“我们选择分析该酶的核心结构区域，因为真正与氧发生反应的就是这里。”侯赛因解释说。
研究人员首先确定了该酶的核心基因序列，并利用自动化检索工具，在包含数百万种生物基因组的数据集中搜寻相应序列。“最难的一点在于数据太多。”富尼耶表示，“这种酶几乎无处不在，存在于大多数现代生物体内。因此我们必须在保证现代生命多样性代表性的前提下，抽样和筛选出一份规模足够小、可以进行计算分析的数据集，这一点一点也不简单。”
最终，团队从数千种现代物种中提取出了相关酶的序列，并将这些序列映射到一个“生命进化树”上，该进化树基于现有研究对不同物种起源时间和演化分支关系的推断而构建。随后，研究人员在这棵树上寻找具有化石记录或时间约束的物种节点，用这些节点的地质年代给相应分支“打点”，逐步收紧酶演化时间的上下限区间。通过在进化树上多点“锚定”，他们能够追溯这类酶在不同谱系间传播和分化的大致时间范围。
通过这一“分子时钟”方法，研究团队将血红素-铜氧还原酶的起源时间追溯到了中太古代——一个大约距今32亿年至28亿年前的地质时期。研究人员推测，正是在这一时期，生命首次获得了借助该酶利用氧气的能力，而这一时间点比伟大氧化事件早了数亿年。新结果也表明，在蓝细菌演化出产氧能力后不久，其他生命形式便迅速演化出利用这些氧气的酶系统，任何生活在蓝细菌周围的微生物都可能第一时间“截获”后者释放的氧气。这些早期有氧生物或许在很长时间里充当了“氧气汇”，从而在地质时间尺度上延缓了氧气逃逸到大气中、并达到稳定浓度的过程。
“综合来看，MIT 的相关研究正逐步填补我们对地球氧化历程认知中的空白。”侯赛因表示，“一个个拼图正在拼合，凸显出生命如何在逐步氧化的新世界中实现多样化与扩张。”
编译自/ScitechDaily