分子钟分析表明，细菌在广泛的光合作用之前很久就使用了氧气

微生物主宰着地球上的生命，但追踪它们的早期历史和进化是困难的，因为它们很少石化。确定一组特定微生物何时首次出现尤其困难。然而，古代沉积物和岩石含有可支持细菌生长的可用营养物质的化学线索。

一个关键的转折点是大约23亿年前氧气在大气中积累的时候。科学家们利用这种氧气激增以及微生物如何适应它来绘制细菌进化图

在《科学》杂志发表的一项研究中，冲绳科学技术研究所（OIST）基于模型的进化基因组学部门的研究人员及其国际合作者构建了细菌进化和氧气适应的详细时间表

他们的发现表明，一些细菌在进化出通过光合作用产生微量氧的能力之前很久就可以使用微量氧

研究人员专注于微生物对大约23亿年前的大氧化事件（GOE）的反应。这一事件在很大程度上是由蓝藻中的含氧（产氧）光合作用和碳沉积的发展引发的，从根本上改变了地球大气层，从一个基本缺氧的大气层变成了一个氧气相对丰富的大气层，就像今天一样

到目前为止，由于化石证据不完整以及确定微生物群最大可能年龄的挑战，很难确定细菌在这一关键转变之前、期间和之后的进化时间，因为绝大多数谱系的唯一可靠最大极限是45亿年前形成月球的撞击，这可能会使地球灭绝

研究人员通过同时分析地质和基因组记录来填补这些空白。他们的关键创新是使用GOE本身作为时间边界，假设大多数有氧（耗氧）细菌分支不太可能比这一事件更古老——除非化石或遗传信号强烈表明其起源更早。使用贝叶斯统计，他们创建了一个模型，当数据支持这一假设时，该模型可以覆盖这一假设。然而，这种方法需要预测哪些谱系在遥远的过去是有氧的。该团队使用概率方法来推断古代基因组包含哪些基因，然后通过机器学习来预测它们是否使用氧气

为了最好地利用化石记录，他们利用真核生物的化石来更好地估计需氧细菌的进化方式和时间

他们的结果表明，至少有三个谱系在GOE之前就有有有氧生活方式——最早的是近9亿年前——这表明在氧气在大气中广泛积累之前，就已经进化出了使用氧气的能力

有趣的是，这些发现表明，有氧代谢可能早在有氧光合作用进化之前就已经发生了

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有证据表明，最早的有氧转变发生在光合蓝藻的祖先身上，这表明利用微量氧气的能力可能使有氧光合作用的核心基因得以发展

该研究估计，所有现代细菌的最后一个共同祖先生活在44亿至39亿年前的某个时候，即冥古宙或最早的太古宙时代。主要细菌门的祖先位于太古宙和元古代（25-18亿年前），而许多科的历史可以追溯到6-7.5亿年前，与陆地植物和动物门起源的时代重叠

值得注意的是，在GOE期间，一旦大气中的氧气水平上升，有氧谱系的多样性就会比厌氧谱系更快，这表明氧气可用性在塑造细菌进化中起着重要作用

基于模型的进化基因组学部门负责人Gergely Szöll 337si教授强调：“这种使用基因组数据、化石和地球地球化学历史的组合方法为进化时间表带来了新的清晰度，特别是对于没有化石记录的微生物群。”

布里斯托尔大学生物科学学院的研究员汤姆·威廉姆斯博士解释说：“我们的工作还表明，使用机器学习从微生物的基因组中模拟微生物特征，对于研究有氧代谢的传播非常有效，也可能是探索其他特征如何在地质时间内出现并与地球不断变化的环境相互作用的有用方法。” More information: A geological timescale for bacterial evolution and oxygen adaption, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ADP1853

Journal information: Science