细菌的氧代谢出现时间早于地球的大氧化事件

一项新的研究表明，在地球大气弥漫氧气之前，地球上的细菌可能就已经适应了有氧环境。研究人员通过机器学习等方法追溯了历时数十亿年的微生物演化过程；结果发现，微生物耐氧能力的演化要早于大氧化事件（the Great Oxidation Event，或 GOE）；这种能力不仅对蓝藻（Cyanobacteria）产氧光合作用的起源不可或缺，也可能对地球大气的演变至关重要。这些发现凸显了生物演化与地球地质史之间的动态关系。微生物形式存在的生命至少主宰了地球历史中的 37 亿年。然而，鉴于地球上最早生命形式在化石记录中的稀缺性（尤其是那些处于深远地质时段中的记录），因此人们对其演化知之甚少。在缺乏化石证据的情况下，研究人员利用微生物生物活动的地球化学记录来估测关键细菌谱系及其代谢新机制出现的时间。约 24 亿年前发生的大氧化事件（GOE）是大气氧气积累的标志性事件。这一变革性事件被认为源自产氧光合作用的驱动——这一演化创新归功于约 32.2 亿年前出现的蓝藻。尽管这一创新出现的时间早于 GOE，但人们认为，在大气氧含量开始上升之前，大多数早于 GOE 的生命存在形式仍保持厌氧状态。有关 GOE 之前有氧生命存在的程度仍有争议，适应氧气的细菌谱系的演化时间线也无明确界定。   

为填补这一空白，Adrián Davín 和同事利用涵盖细菌分类的 1007 个基因组构建了一棵细菌系统发育树。Davín 等人接着利用机器学习和系统发育协调确定了细菌基因组中氧气适应的独特演化特征，预测了从厌氧到有氧生活方式转变的祖先谱系。这使得作者能够追踪深远时期细菌对氧气利用的演变过程。研究发现，早期需氧细菌出现于 GOE 之前（约 32.2-32.5 亿年前），表明某些谱系（可能是蓝藻的祖先）在产氧光合作用出现之前就已演化出了有氧代谢能力。在 GOE 之后，有氧代谢的多样化愈演愈烈，导致需氧谱系比厌氧谱系的多样化速度更快。