地球上最重要的进化革新

众所周知，产氧光合作用是一种将光和水转化为能量，并同时释放氧气的过程。在地球早期历史的某个时期，一群蓝细菌进化出了进行产氧光合作用的能力，这极大地扩展了生物过程在地球化学循环中的作用。可以说，这或许是地球上最重要的一次进化革新，它最终导致了氧气在大气和海洋中的积累，地球开始变得宜居。

这些古老的产氧生物记录能够以三种形式保存下来：现代生物基因组、表面被氧化的地球化学信号，以及具有诊断意义的元古宙微化石。然而，当通过这些不同的形式追溯产氧光合作用的起源时，可能得出不同的年代估计值，甚至往往得出相互冲突的结果。

现在，一组研究人员发展了一种新的基因分析技术，对蓝细菌和产氧光合作用的最初产生时间进行了精确估算。他们以新颖的方式，将化石记录与基因组数据结合了起来，为地球的氧化历史提供了新的重要线索。

在过去的很多研究中，有的科学家会利用地球化学工具在古老的岩石中寻找氧化元素的踪迹。通过这种方法，科学家发现的最早的氧的记录存在于35亿年前。还有一些科学家会通过使用分子钟定年法来追踪生物群的进化时间，这是一种以基因组数据为基础的技术，它会利用现如今的微生物的基因序列，追溯在整个进化历程中出现的基因变化。在基因序列的基础上，研究人员可以利用模型来估算基因变化的发生速度，从而追踪生物群的首次进化时间。

但是，分子钟定年法受到古化石质量和所选模型的速率设置的限制，会因为所假设的速率的不同而得出不同的年代估计值，因而造就了可能相互矛盾的进化故事。例如，用这种方法得出的一些分析结果表明，产氧光合作用很早就进化了，像一个缓慢的燃烧引信；而有的则表明，它出现得很晚，然后像野火一样爆发，触发了大氧化事件和生物圈中氧气的积累。

为了让更好地了解地球宜居性的历史，研究人员迫切地希望能够区分不同的假说。在新研究中，为了能够精确地确定蓝细胞和产氧光合作用的起源，研究人员将分子钟年代与另一种方法——水平基因转移结合在一起，这是一种不完全依赖化石或速率假设的独立方法。

正常情况下，一个生物体会“垂直地”遗传一个基因，即基因从生物体的母体遗传下去；在极少数情况下，一个基因也可以从一个物种跳跃到另一个远亲物种上。例如，一个细胞可能会吞噬掉另一个细胞，并在这个过程中将一些新的基因合并到了自己的基因组中。

当出现这种水平基因转移时，很显然，获得了这种基因的生物群比这种基因的起源生物群在进化上更年轻。研究人员推断，这样的情况或许可以用来确定某些细菌群之间的相对年龄，它们的年龄可以与从各种分子钟模型所预测得出的年龄进行比较，结果最为接近的模型可能是最准确的，从而用来精确估计其他细菌物种的年龄——特别是蓝细菌。

于是，研究人员在包括蓝细菌在内的数千种细菌的基因组中寻找水平基因转移的例子。为了更精确地使用化石蓝细菌作为校准，他们还使用了现代培养的蓝细菌。最后，他们确定了34个明显的水平基因转移的例子，并发现了1/6的分子钟模型与他们在水平基因转移分析中确定的相对年龄一致。

研究人员用这个模型估算了蓝细菌“冠状”菌群的年龄，这类菌群包括所有现有的已知具有产氧光合作用的物种。他们发现，在太古宙，冠状菌群大约起源于29亿年前，而蓝细菌作为一个整体是在大约34亿年前从其他细菌中分离出来的。

这一估算值意味着，产氧光合作用的出现时间至少要比大氧化事件（即地球的大气和海洋首次经历氧气含量飙升的时期）早4亿年。这表明蓝细菌可能在早期就进化出了制造氧气的能力，但这些氧气需要一段时间才能真正在环境中占据一席之地。分析还显示，在大氧化事件发生前不久，大约24亿年前，蓝细菌经历了一次突变。这意味着蓝细菌的快速膨胀可能使地球像大氧化事件倾斜，并向大气中释放氧气。

这些结果说明了生物氧气生产的开始及其对生态的意义，它们引发了多样化的多米诺效应，塑造了我们今天所知的地球。现在，研究人员计划将水平基因转移技术应用于蓝细菌之外，以确定其他难以捉摸物种的起源。未来，研究人员或许能够利用这种与水平基因转移技术相结合的分子钟，可靠地为整个生命树中各个群体的年龄估算年龄，即使是没有留下化石记录的古代微生物——这在以前是不可能的。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2021/photosynthesis-evolution-origins-0928

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2021.0675