MIT估算出生氧光合作用起源时间：34亿年前至29亿年前

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这一进化时刻使得氧气最终在大气和海洋中积累成为可能，并引发了多样化的多米诺骨牌效应、塑造了我们今天所知的独特的宜居星球。

现在，来自麻省理工学院(MIT)的科学家们对蓝藻细菌和生氧光合作用的最初起源时间有了一个精确的估算。他们的研究结果于2021年9月29日发表在《Proceedings of the Royal Society B》上。

他们开发了一种新的基因分析技术。这项技术表明今天生活的所有蓝藻物种都可以追溯到约29亿年前进化的一个共同祖先。他们还发现，蓝藻细菌的祖先在约34亿年前从其他细菌中分化出来，含氧光合作用很可能是在这5亿年的间隔时间里，也就是在太古时代进化出来的。

有趣的是，这一估计将含氧光合作用的出现至少置于大氧化事件之前4亿年，在这个时期，地球的大气和海洋首次经历了氧气的上升。这表明，蓝藻细菌可能很早就进化出了生产氧气的能力，但这种氧气需要一段时间才能真正在环境中占有一席之地。

“在进化过程中，事情总是从小开始，”论文主要作者Greg Fournier说道，“即使有早期含氧光合作用的证据--这是地球上唯一最重要和真正惊人的进化创新--它仍然需要数亿年的时间才能起飞。”Fournier是MIT地球、大气和行星科学系的地质生物学副教授。

Fournier在该学院的合作者包括Kelsey Moore、Luiz Thiberio Rangel、Jack Payette、Lily Momper和Tanja Bosak。

缓慢的导火线，还是野火？

对含氧光合作用起源的估计有着很大差异，追踪其演变的方法也是如此。像科学家可以使用地球化学工具来寻找古代岩石中的氧化元素的痕迹。这些方法已经发现了早在35亿年前就存在氧气的暗示--这表明含氧光合作用可能是其来源，不过其他来源也是可能的。

另外研究人员还使用了分子钟年代测定法，它使用今天的微生物的基因序列来追溯进化历史中的基因变化。根据这些序列，研究人员使用模型来估计基因变化发生的速度以追踪生物体群体首次进化的时间。但分子钟年代测定法受限于古代化石的质量以及所选择的速率模型，它可以产生不同的年龄估计，这取决于所假设的速率。

Fournier表示，不同的年龄估计可能意味着相互冲突的进化叙述。像一些分析表明含氧光合作用很早就进化了，并且“像一个缓慢的导火线”，而其他分析则表明它出现得更晚，然后“像野火一样起飞”从而引发了大氧化事件和生物圈中的氧气积累。

“为了让我们了解地球上的可居住性历史，我们必须区分这些假说，”Fournier说道。

水平基因

为了精确测定蓝藻和含氧光合作用的起源，Fournier和他的同事将分子钟年代测定法跟水平基因转移配对--这是一种不完全依赖化石或速率假设的独立方法。

通常情况下，一个生物体会“垂直”继承一个基因，当它从生物体的父母那里传下来时。在罕见的情况下，一个基因还可以从一个物种跳到另一个远缘物种。入一个细胞可能会吃掉另一个并在这个过程中把一些新的基因纳入其基因组。

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体在进化上比该基因的来源群体年轻。Fournier推断，这种情况可以用来确定某些细菌群体之间的相对年龄。然后可以将这些群体的年龄跟各种分子钟模型所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--特别是蓝藻细菌的年龄。

根据这一推理，研究小组在包括蓝藻细菌在内的数千个细菌物种的基因组中寻找水平基因转移的实例。他们还使用了由Bosak和Moore拍摄的现代蓝藻的新培养物以更精确地使用化石蓝藻作为校准。最后，他们确定了34个明确的水平基因转移的例子。然后他们发现，六个分子钟模型中的一个跟团队的水平基因转移分析中确定的相对年龄一致。

Fournier运行这个模型来估算蓝藻 “皇冠”组的年龄，该组包括了所有今天生活的物种并且已知表现出含氧光合作用。他们发现，在太古时代，冠状菌群起源于约29亿年前，而蓝藻细菌作为一个整体从其他细菌中分化出来的时间是34亿年前。这强烈地表明，在大氧化事件(GOE)之前的5亿年，含氧光合作用已经发生，并且在大气中积累氧气之前，蓝藻细菌就已经生产了相当长的时间。

分析还显示，在GOE发生前不久，约24亿年前，蓝藻经历了一个多样化的爆发期。这意味着，蓝藻的快速扩张可能使地球进入了全球环境行动并将氧气发射到大气中。

加州大学河滨分校生物地球化学教授Timothy Lyons说道：“这篇新论文以新的方式将化石记录跟基因组数据连接起来，包括水平基因转移，从而对地球的含氧量历史提出了新的见解。这些结果说明了生物氧气生产的开始及其生态意义，为海洋最早的含氧量和后来在大气中的积累的模式和控制提供了重要的约束。

Fournier计划将水平基因转移应用于蓝藻之外以确定其他难以捉摸的物种的起源。

Fournier说道：“这项工作表明，包含水平基因转移(HGTs)的分子钟有望可靠地提供整个生命树的群体年龄，即使是没有留下化石记录的古代微生物......而这在以前是不可能的。”