科技日报---生命学会呼吸氧气的时间比科学家认为的早了数亿年（下）
2026-03-01 10:48阅读：
研究人员将数千种现代物种的酶序列绘制到生命进化树上。他们的发现表明，在蓝藻进化出产生氧气的能力后不久，其他生物就进化出了利用氧气的酶。图片来源：Fatima
Husain
“这确实彻底改变了有氧呼吸的故事，”麻省理工地球、大气与行星科学系博士后研究员法蒂玛•侯赛因（该研究的合著者）说道，“我们的研究为近期新浮现的这一观点提供了佐证：生命可能比人们此前认为的要早得多就利用了氧气。它揭示了生命在地球历史各个时期展现出的惊人的创新力。”
该研究的其他合著者还包括麻省理工学院地球生物学副教授格雷戈里•富尔尼耶，以及俄勒冈大学的尚海涛和斯蒂利亚诺斯•卢卡。
第一批呼吸者
这项新研究增加了麻省理工学院旨在拼凑地球上氧气历史的一系列工作。这项研究有助于确定大氧化事件的时间以及产生氧气的蓝藻的第一个证据。目前的总体理解是，大约29亿年前，蓝藻首次产生氧气，而大氧化事件（氧气最终积累到足以在大气中持续存在的时候）则发生在很久以后，大约23.3亿年前。
对于Husain和她的同事来说，氧气首次产生和最终持续存在之间的明显延迟引发
了一个问题。
侯赛因说：“我们知道，在大氧化事件之前，产生氧气的微生物就已经存在了。”“所以很自然地会问，当时周围有没有生命能够利用这种氧气进行有氧呼吸？”
如果真的有一些生命形式在使用氧气，即使是少量的，它们也可能在防止氧气在大气中积聚方面发挥了作用，至少在一段时间内是这样。
为了研究这种可能性，麻省理工学院的团队研究了血红素铜氧还原酶，这是一组对有氧呼吸至关重要的酶。这些酶的作用是将氧气还原为水，它们存在于今天从细菌到人类的大多数有氧呼吸生物体中。
Husain解释说：“我们针对这种酶的核心进行分析，因为这是与氧气实际发生反应的地方。”
系谱年代学
该团队旨在追溯酶的进化，以了解酶何时首次出现，使生物体能够利用氧气。他们首先确定了酶的基因序列，然后使用自动搜索工具在包含数百万种不同生物基因组的数据库中寻找相同的序列。
“这项工作最困难的部分是我们有太多的数据，”Fournier说。“这种酶无处不在，存在于大多数现代生物体中。因此，我们必须对数据进行采样和过滤，以得到一个代表现代生命多样性的数据集，并且足够小，可以进行计算，这并非易事。”
研究团队最终从数千种现代物种中分离出该酶的序列，并基于科学家对各物种演化分支时间的已知信息，将这些序列绘制到生命演化树上。随后，他们在这棵树中寻找可能提供起源相关线索的特定物种。
例如，若某生物在演化树上存在化石记录，该记录将包含其在地球出现的大致年代。研究团队会依据化石年代为该生物在演化树上“锚定”日期。同样地，他们可为整个演化树设置多个锚点，从而精确推断该酶从一个物种演变为下一个物种的具体时间。
最后，研究人员能够将这种酶追溯到中太古宙——一个持续了32亿至28亿年前的地质时代。大约在这个时候，研究小组怀疑这种酶（以及生物体利用氧气的能力）首次出现。这一时期比大氧化事件早数亿年。
新的发现表明，在蓝藻进化出产生氧气的能力后不久，其他生物就进化出了利用氧气的酶。任何碰巧生活在蓝藻附近的这种生物都能够迅速吸收细菌产生的氧气。这些早期的有氧生物可能在阻止氧气逃逸到大气中方面发挥了一些作用，从而将其积累推迟了数亿年。
Husain说：“综合考虑，麻省理工学院的研究填补了我们对地球氧化过程的认识空白。”“这些拼图拼凑在一起，真正突显了生命是如何在这个充满氧气的新世界中多样化和生存的。”
