MIT科学家研究表明：含氧光合作用的地球起源

2021 年 9 月 29 日，麻省理工学院的科学家们在英国皇家学会会刊 B 上发表了对蓝藻和含氧光合作用的研究，对地球的首次起源时间有了精确的估计。通过采用一种新的基因分析技术，表明今天生活的所有蓝藻物种都可以追溯到大约 29 亿年前进化的共同祖先。 蓝藻的祖先大约在 34 亿年前从其他细菌中分支出来，在太古宙期间的 50 亿年间，有氧光合作用可能会进化。

含氧光合作业

这项新研究表明，含氧光合作用可能在 3.4 至 29 亿年前进化而来，改变我们过去传统的地球生命进化论。

早期地球

在地球早期历史的某个时期，当一群被称为蓝藻的有进取心的微生物进化出含氧光合作用——将光和水转化为能量并在此过程中释放氧气的能力时，地球开始转向宜居。这一进化使氧气最终在大气和海洋中积累成为可能，引发了多样化的多米诺骨牌效应，并塑造了我们今天所知的独特宜居星球。

水面上的蓝藻

麻省理工学院的科学家估计，含氧光合作用——将光和水转化为能量，释放氧气的能力——最早在 3.4 至 29 亿年前在地球上进化而来。

有趣的是，这一估计将含氧光合作用的出现在至少 4 亿年前，早于大氧化事件的发生，而这正是地球大气和海洋首次经历氧气增加的时期。 这表明蓝藻可能在早期就已经进化出产生氧气的能力，但这种氧气需要一段时间才能真正在环境中占据一席之地。

“在进化中，事情总是从小事开始，”主要作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系地球生物学副教授 Greg Fournier 说。 “尽管有证据表明早期含氧光合作用——这是地球上最重要、最令人惊叹的进化创新——但它仍然需要数亿年的时间才能起飞。”

• 进化过程如慢速导火线，还是疯狂的野火？

对含氧光合作用起源的估计以及追踪其演化的方法差异很大。

例如，科学家可以使用地球化学工具在古代岩石中寻找氧化元素的痕迹。这些方法已经发现早在 35 亿年前就存在氧气的迹象——这表明含氧光合作用可能是来源，尽管其他来源也是可能的。

研究人员还使用了分子钟定年法，它使用当今微生物的基因序列来追溯进化历史中基因的变化。根据这些序列，研究人员然后使用模型来估计遗传变化发生的速度，以追踪生物群首次进化的时间。但是分子钟年代测定受到古代化石质量和所选速率模型的限制，该模型可以根据假设的速率产生不同的年龄估计。

Fournier 说，不同的年龄估计可能意味着相互矛盾的进化叙述。例如，一些分析表明含氧光合作用很早就进化并“像一个缓慢的导火线”进行，而另一些分析则表明它出现得更晚，然后“像野火一样起飞”，引发了大氧化事件和生物圈中氧气的积累。

为了让我们了解地球上宜居的历史，区分这些假设对我们来说很重要。

• 水平基因

为了准确确定蓝藻和含氧光合作用的起源，Fournier 和他的同事将分子钟定年与水平基因转移配对——一种不完全依赖化石或速率假设的独立方法。

通常，当一个生物体从其亲本传下来时，一个生物体会“垂直”继承一个基因。在极少数情况下，基因也可以从一个物种跳到另一个远亲的物种。例如，一个细胞可能会吃另一个细胞，并在此过程中将一些新基因整合到其基因组中。

当发现这样的水平基因转移历史时，很明显，获得该基因的生物群比该基因起源的生物群在进化上更年轻。 Fournier 推断，此类实例可用于确定某些细菌群之间的相对年龄。然后可以将这些组的年龄与各种分子钟模型预测的年龄进行比较。最接近的模型可能是最准确的，然后可以用来精确估计其他细菌物种的年龄——特别是蓝细菌。

根据这一推理，该团队寻找跨数千种细菌物种（包括蓝藻）基因组的水平基因转移实例。他们还使用 Bosak 和 Moore 采集的现代蓝藻的新培养物，更准确地使用化石蓝藻作为校准。最后，他们确定了 34 个明显的水平基因转移实例。然后他们发现六分之一的分子钟模型与团队水平基因转移分析中确定的相对年龄一致。

显微镜下的蓝藻

Fournier 运行这个模型来估计蓝藻“冠”组的年龄，它包括今天生活的所有物种，并且已知表现出含氧光合作用。他们发现，在太古代，冠群起源于大约 29 亿年前，而整个蓝藻大约在 34 亿年前从其他细菌分支出来。这有力地表明，在大氧化事件 (GOE) 之前 5 亿年，含氧光合作用已经发生，并且蓝藻在氧气在大气中积累之前已经生产了很长时间。

分析还显示，在 GOE 之前不久，大约 24 亿年前，蓝藻经历了一次多样化的爆发。这意味着蓝藻的快速扩张可能使地球进入 GOE 并将氧气释放到大气中。

加州大学河滨分校生物地球化学教授蒂莫西·莱昂斯 (Timothy Lyons) 说：“这篇新论文通过以新颖的方式将化石记录与基因组数据（包括水平基因转移）联系起来，为地球的氧化历史提供了重要的新思路。” “结果说明了生物氧气生产的开始及其生态意义，其方式对海洋最早的氧化和后来在大气中的积累的模式和控制提供了重要的限制。”

Fournier 计划在蓝藻之外应用水平基因转移来确定其他难以捉摸的物种的起源。“这项工作表明，结合水平基因转移 (HGT) 的分子钟有望可靠地提供整个生命树中群体的年龄，即使对于没有留下化石记录的古代微生物……这在以前是不可能的，”富尼耶说。

参考文献：

“The Archean origin of oxygenic photosynthesis and extant cyanobacterial lineages” by G. P. Fournier, K. R. Moore, L. T. Rangel, J. G. Payette, L. Momper and T. Bosak, 29 September 2021, Proceedings of the Royal Society B.