酶进化研究揭示了生物圈早期的氧合作用

　　大约 25 亿年前，我们所在的星球经历了史上最大的变化。由地质记录可知，分子氧突然变成了可在任何地方自由使用。比如在含有氧化铁的带状铁地层中，大氧合事件（GOE）的证据就清晰可见，并在后续推动了耗氧生物的不断进化。不过对于爱较真的研究人员来说，还是想知道这种转变是突然发生，亦或更早就有生物体在较低水平的游离氧环境中生存。
　　带状铁沉积示例（图自：Weizmann Institute of Science）
　　来自魏茨曼科学研究所的生物分子科学系教授 Dan Tawfik 解释称，大氧合事件（GOE）的年代本身无可争议，因为分子氧是由光合微生物产生的。
　　在化学机理上，它能够利用光能将水分解为质子（氢离子）和氧气。此过程中产生的电子，被其用于形成储能化合物（糖分）。而作为副产物的氧气，开始被陆续释放到周围环境中。
　　不过目前尚未得到解答的是，氧气的产生，是否与 GOE 事件一致？或者甚至在大氧合事件之前，生物体都已经获得了氧气？
　　Dan Tawfik 与研究生 Jagoda Jabłońska
　　争论的一种一方认为，生物未能在 GOE 事件之前获得分子氧，理由是此前大气和海洋环境，都将把光合作用释放的任何氧气都立即用于发生化学反应。
　　辩论的另一方则表示，光合作用微生物产生的某些氧气，可能已经游离了足够长的时间，以至于非光合作用生物体甚至仍可在 GOE 大事件之前就将分子氧夺过去了。
　　此外在上述两种观点之间，还有一些人提出了略有不同的推测，比如大气氧合作用形成了＂绿洲＂或短暂的＂波动＂。
　　研究配图 - 1：O2酶出现的年代
　　研究生 Jagoda Jabłońska 认为，这件事可以通过回溯蛋白质的进化而给出答案。通过追踪各种蛋白质是如何、以及何时发生的进化，他们就有证据表明早期生物是如何开始加工氧气的。
　　类似的系统树，曾被广泛用于揭示物种、人种、以及蛋白质家族的历史。不过 Jagoda Jabłońska 决定效仿这一策略，来绘制氧气酶的进化路线图。
　　为开展研究，她整理了大约 130 个已知在细菌和古细菌中产生或使用氧气的酶家族。这些细菌早在太古代（Archean Eon）就已存在，介于生命出现（约 40 亿年前）和大氧合事件之间。
　　接着她又在其中挑选了大约一半的细菌，并在相关文献中仔细分析了其中 36 种的进化史，尽管这么做并非易事。
　　研究配图 - 2：LUOA 筛选过程示例
　　Dan Tawfik 指出，基因可能在某些生物中丢失，并给人留下它们像是在后续才进化的。微生物有在水平层面上共享基因，结果扰乱了系统发育树，导致高估了某些酶的年龄，后者是必须得到纠正的。
　　最终描绘的系统发育树表明，在大约 30 亿年前（GOE 大事件的 10 亿年前），就已经有了耗氧酶的爆发。如果氧气的使用与 GOE 吻合，那么耗氧酶应该会在后续进化。
　　科学家进一步研究了这个时间框架，发现爆发并非发生在大气氧的吸收上，而是细菌离开海洋、并开始在陆地上定殖的时间，且一些耗氧酶甚至能欧追溯到更远。
　　Daniel Tawfik 解释称：这项研究证实了这样一个假设，即在 GOE 大事件之前，氧气就一直持续地存在于生物圈中。尽管达到 GOE 的高水平需要漫长的时间，但那时氧气已在生物圈中广泛存在。