地球上的生命可能在氧气充满天空之前很久就学会了呼吸氧气。麻省理工学院的研究人员将一种关键的氧处理酶追溯到大氧化事件之前数亿年。生活在产氧蓝藻细菌附近的早期微生物可能在氧气形成的同时迅速消耗了它，从而延缓了氧气在大气中的积累。这些结果表明，生命适应氧气的时间比人们曾经认为的要早得多，也更具创造性。
如今，麻省理工学院的研究人员报告了证据，表明某些生命形式可能在大氧化事件之前数亿年就已经学会了利用氧气。他们的发现可能代表了地球上最古老的有氧呼吸迹象。
在发表于《古地理学、古气候学、古生态学》期刊的研究中，麻省理工学院的地球生物学家探究了一种关键酶的起源，这种酶使生物体能够消耗氧气。这种酶存在于当今大多数进行有氧呼吸、呼吸氧气的生命中。研究团队确定，它最早是在中太古代进化的，这是一个发生在大氧化事件之前数亿年的地质时代。
他们的结果可能有助于解答地球历史中一个长期存在的谜团。如果产氧微生物出现得如此之早，为什么氧气在大气中积累花了那么长时间？
蓝藻细菌与早期氧气生产
已知最早的氧气生产者是蓝藻细菌。这些微生物通过光合作用发展了利用阳光和水的能力，并释放氧气作为副产品。科学家估计蓝藻细菌大约在29亿年前出现。这意味着它们很可能在大氧化事件之前的数亿年里一直在产生氧气。
那么，所有这些早期氧气后来怎么样了？
长期以来，研究人员一直怀疑与岩石的化学反应从环境中清除了大部分氧气。而麻省理工学院的新研究表明，生物体可能也在消耗这些氧气。
研究团队发现证据表明，某些微生物在大氧化事件之前很久就已经进化出了使用氧气的酶。生活在蓝藻细菌附近的生物体可能利用这种酶，在少量氧气产生时就迅速将其消耗掉。如果是这样，早期生命可能将大气中氧气的积累过程延缓了数亿年。
"这确实极大地改变了对有氧呼吸的理解，"研究合著者法蒂玛·侯赛因说，她是麻省理工学院地球、大气与行星科学系的博士后。"我们的研究为这个近期浮现的故事增添了新内容，即生命使用氧气的时间可能比之前认为的要早得多。它向我们展示了在地球历史的各个时期，生命都具有令人难以置信的创新性。"
其他合著者包括麻省理工学院地球生物学副教授格雷戈里·富尼耶，以及俄勒冈大学的尚海涛和斯蒂利亚诺斯·卢卡。
追溯有氧呼吸的起源
这项工作建立在麻省理工学院多年来致力于重建地球氧气历史的研究基础之上。先前的研究帮助确定了蓝藻细菌大约在29亿年前开始产生氧气，而氧气直到大约23.3亿年前的大氧化事件期间才在大气中永久积累。
对侯赛因和她的同事来说，这个漫长的时间差提出了一个重要问题。
"我们知道产生氧气的微生物在大氧化事件之前很久就已经存在了，"侯赛因说。"所以很自然地会问，那个时候是否存在任何生命能够利用这些氧气进行有氧呼吸？"
如果某些生物体已经在使用氧气，即使是少量，它们也可能在相当长的一段时间内帮助维持了较低的大气氧气水平。
为了探索这个想法，研究人员专注于血红素铜氧还原酶。这些酶对于有氧呼吸至关重要，因为它们能将氧气转化为水。从细菌到人类，当今大多数呼吸氧气的生物体中都能找到它们。
"我们针对这种酶的核心部分进行分析，因为那里是实际发生与氧气反应的地方，"侯赛因解释说。
在生命之树上绘制酶谱
研究团队着手确定这种酶首次出现的时间。他们识别了其基因序列，然后在包含数百万个物种的庞大基因组数据库中搜索匹配的序列。
"这项工作中最难的部分是我们有太多的数据，"富尼耶说。"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，得到一个能够代表现代生命多样性并且小到足以进行计算的数据集，这并非易事。"
在将数据缩小到数千个物种后，研究人员将这些酶序列放置到进化生命之树上。这使得他们能够估计不同分支出现的时间。
当某个特定生物存在化石证据时，科学家们利用其估计年龄来确定该分支在树上的时间点。通过应用多个基于化石的时间点，他们完善了对该酶进化时间的估计。
他们的分析将这种酶的起源追溯到中太古代，即大约32亿至28亿年前。研究人员认为这是该酶以及利用氧气的能力首次出现的时期。这个时间框架比大氧化事件早了数亿年。
研究结果表明，在蓝藻细菌开始产生氧气后不久，其他生物体就进化出了消耗氧气的机制。生活在蓝藻细菌附近的微生物可能迅速吸收了被释放的氧气。通过这种方式，这些早期的有氧生物可能帮助阻止了氧气在大气中积累数亿年之久。
"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如何进行的知识空白，"侯赛因说。"这些拼图碎片正在拼凑起来，真正强调了生命是如何能够在这种新的、含氧的世界中多样化和生存的。"
这项研究部分得到了科学研究促进协会Scialog项目的支持。