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(shí)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(yáng)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(lái)。但直到大約23億年前，氧氣在一個(gè)被稱為大氧化事件（GOE）的階段，才成為大氣中長(zhǎng)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(shí)間滯后。這就引發(fā)了一個(gè)長(zhǎng)期未解的謎題：為什么氧氣需要如此漫長(zhǎng)的時(shí)間，才得以在大氣中逐步累積起來(lái)？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(guò)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(xiàng)新的研究提出了另一種可能，表明生物過(guò)程可能也在其中起到了作用。

在新研究中，研究團(tuán)隊(duì)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(lái)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(shù)定年

具體來(lái)說(shuō)，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(guò)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(shí)確實(shí)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(shí)期內(nèi)阻止氧氣在大氣中不斷累積。

為了檢驗(yàn)這種可能性，研究團(tuán)隊(duì)把目光投向了一類對(duì)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(duì)把分析重點(diǎn)放在了這種酶的核心區(qū)域，因?yàn)檠鯕鈪⑴c的反應(yīng)正發(fā)生在這里。他們的目標(biāo)是沿著時(shí)間軸向過(guò)去追溯這種酶的進(jìn)化歷程，看看它最早在何時(shí)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(duì)應(yīng)的基因序列，然后利用自動(dòng)化檢索工具，在包含數(shù)百萬(wàn)種不同生物基因組信息的數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找相同序列——這是這項(xiàng)工作中最難的部分：這種酶幾乎無(wú)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣和篩選，把它壓縮成一個(gè)既能代表現(xiàn)代生命多樣性、又足夠小、便于計(jì)算的數(shù)據(jù)集。

最終，研究團(tuán)隊(duì)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(duì)各物種何時(shí)出現(xiàn)、何時(shí)分化的既有認(rèn)識(shí)，把這些序列繪制到一棵“生命進(jìn)化樹(shù)”上。隨后，他們?cè)谶@棵樹(shù)中尋找那些可能為“起源時(shí)間”提供線索的特定物種。

例如，如果進(jìn)化樹(shù)上的某個(gè)生物存在化石記錄，那么這條記錄通常會(huì)含有該生物出現(xiàn)在地球上的時(shí)間估計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)會(huì)用化石的年代來(lái)為進(jìn)化樹(shù)上的這一生物“釘”上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。 同理，他們可以在樹(shù)上的多個(gè)位置“釘”上時(shí)間點(diǎn)，從而有效收緊對(duì)這種酶在不同譜系間進(jìn)化更替所發(fā)生時(shí)間的估計(jì)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(gè)從32億年前持續(xù)到28億年前的地質(zhì)時(shí)期。研究團(tuán)隊(duì)?wèi)岩桑?strong>正是在這一時(shí)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(xiàng)研究極大地改寫了關(guān)于有氧呼吸的敘事，它表明生物過(guò)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(lái)逐漸浮現(xiàn)的觀點(diǎn)增添了新證據(jù)：生命利用氧氣的時(shí)間，可能遠(yuǎn)早于人們此前的認(rèn)識(shí)。它也向人們展示了，在地球歷史的各個(gè)時(shí)期，生命都擁有令人驚嘆的創(chuàng)新能力。

#參考來(lái)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(lái)源：

封面圖&首圖：Husain et al. via MIT News