眾所周知，產氧光合作用是一種將光和水轉化為能量，並同時釋放氧氣的過程。在地球早期歷史的某個時期，一群藍細菌進化出了進行產氧光合作用的能力，這極大地擴充套件了生物過程在地球化學迴圈中的作用。可以說，這或許是地球上最重要的一次進化革新，它最終導致了氧氣在大氣和海洋中的積累，地球開始變得宜居。
這些古老的產氧生物記錄能夠以三種形式儲存下來：現代生物基因組、表面被氧化的地球化學訊號，以及具有診斷意義的元古宙微化石。然而，當透過這些不同的形式追溯產氧光合作用的起源時，可能得出不同的年代估計值，甚至往往得出相互衝突的結果。
現在，一組研究人員發展了一種新的基因分析技術，對藍細菌和產氧光合作用的最初產生時間進行了精確估算。他們以新穎的方式，將化石記錄與基因組資料結合了起來，為地球的氧化歷史提供了新的重要線索。
在過去的很多研究中，有的科學家會利用地球化學工具在古老的岩石中尋找氧化元素的蹤跡。透過這種方法，科學家發現的最早的氧的記錄存在於35億年前。還有一些科學家會透過使用分子鐘定年法來追蹤生物群的進化時間，這是一種以基因組資料為基礎的技術，它會利用現如今的微生物的基因序列，追溯在整個進化歷程中出現的基因變化。在基因序列的基礎上，研究人員可以利用模型來估算基因變化的發生速度，從而追蹤生物群的首次進化時間。
但是，分子鐘定年法受到古化石質量和所選模型的速率設定的限制，會因為所假設的速率的不同而得出不同的年代估計值，因而造就了可能相互矛盾的進化故事。例如，用這種方法得出的一些分析結果表明，產氧光合作用很早就進化了，像一個緩慢的燃燒引信；而有的則表明，它出現得很晚，然後像野火一樣爆發，觸發了大氧化事件和生物圈中氧氣的積累。
為了讓更好地瞭解地球宜居性的歷史，研究人員迫切地希望能夠區分不同的假說。在新研究中，為了能夠精確地確定藍細胞和產氧光合作用的起源，研究人員將分子鐘年代與另一種方法——水平基因轉移結合在一起，這是一種不完全依賴化石或速率假設的獨立方法。
正常情況下，一個生物體會“垂直地”遺傳一個基因，即基因從生物體的母體遺傳下去；在極少數情況下，一個基因也可以從一個物種跳躍到另一個遠親物種上。例如，一個細胞可能會吞噬掉另一個細胞，並在這個過程中將一些新的基因合併到了自己的基因組中。
當出現這種水平基因轉移時，很顯然，獲得了這種基因的生物群比這種基因的起源生物群在進化上更年輕。研究人員推斷，這樣的情況或許可以用來確定某些細菌群之間的相對年齡，它們的年齡可以與從各種分子鐘模型所預測得出的年齡進行比較，結果最為接近的模型可能是最準確的，從而用來精確估計其他細菌物種的年齡——特別是藍細菌。
於是，研究人員在包括藍細菌在內的數千種細菌的基因組中尋找水平基因轉移的例子。為了更精確地使用化石藍細菌作為校準，他們還使用了現代培養的藍細菌。最後，他們確定了34個明顯的水平基因轉移的例子，並發現了1/6的分子鐘模型與他們在水平基因轉移分析中確定的相對年齡一致。
研究人員用這個模型估算了藍細菌“冠狀”菌群的年齡，這類菌群包括所有現有的已知具有產氧光合作用的物種。他們發現，在太古宙，冠狀菌群大約起源於29億年前，而藍細菌作為一個整體是在大約34億年前從其他細菌中分離出來的。
這一估算值意味著，產氧光合作用的出現時間至少要比大氧化事件（即地球的大氣和海洋首次經歷氧氣含量飆升的時期）早4億年。這表明藍細菌可能在早期就進化出了製造氧氣的能力，但這些氧氣需要一段時間才能真正在環境中佔據一席之地。分析還顯示，在大氧化事件發生前不久，大約24億年前，藍細菌經歷了一次突變。這意味著藍細菌的快速膨脹可能使地球像大氧化事件傾斜，並向大氣中釋放氧氣。
這些結果說明了生物氧氣生產的開始及其對生態的意義，它們引發了多樣化的多米諾效應，塑造了我們今天所知的地球。現在，研究人員計劃將水平基因轉移技術應用於藍細菌之外，以確定其他難以捉摸物種的起源。未來，研究人員或許能夠利用這種與水平基因轉移技術相結合的分子鐘，可靠地為整個生命樹中各個群體的年齡估算年齡，即使是沒有留下化石記錄的古代微生物——這在以前是不可能的。
#創作團隊：
原文：Jennifer Chu
編譯：小雨
#參考來源：
https://news.mit.edu/2021/photosynthesis-evolution-origins-0928
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2021.0675
#圖片來源：
封面來源：armennano / Pixabay
