氧氣早在35億年前就能存活

有可能在地球的歷史上，至少在10億年前，微生物進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧氣。

這一發(fā)現(xiàn)可能會改變地球上復(fù)雜生命進(jìn)化的方式和時間的概念，以及它在其他行星上進(jìn)化的可能性。

地球大氣中的氧氣是復(fù)雜生命形式所必需的，它被用來在有氧呼吸過程中產(chǎn)生能量。

大約24億年前，大氣中的氧氣含量急劇上升，但為什么會發(fā)生這種情況一直存在爭議。一些科學(xué)家認(rèn)為，24億年前，當(dāng)藍(lán)藻生物首次進(jìn)化時，可以進(jìn)行產(chǎn)氧(含氧)光合作用。

其他科學(xué)家認(rèn)為，藍(lán)細(xì)菌在24億年前進(jìn)化了很長一段時間，但有東西阻止了氧氣在空氣中積累。

藍(lán)細(xì)菌表現(xiàn)出相對復(fù)雜的含氧光合作用——與今天所有植物進(jìn)行的光合作用類型相同。因此，有人提出，在藍(lán)藻出現(xiàn)之前，早期的含氧光合作用形式可能已經(jīng)存在了很長時間，導(dǎo)致了生命中可利用的低氧水平。

現(xiàn)在，由倫敦帝國理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)，在藍(lán)藻進(jìn)化之前，至少有10億年的光合作用。他們發(fā)表在《地球生物學(xué)》雜志上的研究結(jié)果表明，在地球歷史的45億年中，含氧光合作用可能發(fā)生得非常早。

第一作者，帝國生命科學(xué)部的Tanai Cardona博士說：“我們知道藍(lán)藻非常古老，但我們不知道它有多古老。例如，如果藍(lán)藻有25億年的歷史，就意味著含氧光合作用早在35億年前就開始了。它表明，在生命起源之后，可能不需要幾十億年就能開始像氧氣光合作用這樣的過程。”

如果含氧光合作用進(jìn)化較早，可能意味著這是一個相對簡單的進(jìn)化過程。遙遠(yuǎn)的系外行星出現(xiàn)復(fù)雜生命的概率可能非常高。

利用地球上巖石的記錄，科學(xué)家們很難發(fā)現(xiàn)第一批制氧機(jī)是何時進(jìn)化的。越老的巖石越稀有，更難證明在這些古老巖石中發(fā)現(xiàn)的任何微生物化石使用或產(chǎn)生任何數(shù)量的氧氣。

相反，研究小組研究了與含氧光合作用相關(guān)的兩種主要蛋白質(zhì)的進(jìn)化。

在光合作用的第一階段，藍(lán)細(xì)菌利用光能，在稱為光系統(tǒng)的蛋白質(zhì)復(fù)合物的幫助下，將水分解成質(zhì)子、電子和氧氣。

光學(xué)系統(tǒng)二由兩種叫做D1和D2的蛋白質(zhì)組成。起初，這兩種蛋白質(zhì)是相同的，但盡管它們的結(jié)構(gòu)非常相似，但它們的基本遺傳序列現(xiàn)在卻不同了。

這表明D1和D2是分開進(jìn)化的——它們只占藍(lán)細(xì)菌和植物基因序列的30%。即使是原始形態(tài)，D1和D2也能進(jìn)行含氧的光合作用，因此知道它們在多長時間前是相同的，就能揭示這種能力最初是何時進(jìn)化的。

為了找出D1和D2 100%相同的時間差，以及它們在藍(lán)細(xì)菌和植物中只有30%相同，研究小組確定了蛋白質(zhì)變化的速度——它們的進(jìn)化速度。

利用強(qiáng)大的統(tǒng)計方法和光合作用進(jìn)化中的已知事件，他們確定光系統(tǒng)二中的D1和D2蛋白質(zhì)進(jìn)化非常緩慢——甚至比生物學(xué)中一些最古老的蛋白質(zhì)進(jìn)化得更慢，這些蛋白質(zhì)被認(rèn)為是最早的形式。生活。

由此，他們計算出，相同的D1和D2蛋白與30%相似版本的藍(lán)細(xì)菌和植物之間的時間至少是10億年，并且可能超過這個數(shù)字。

卡多納博士說：“一般來說，氧氣光合作用和藍(lán)藻被認(rèn)為是相同的。因此，為了弄清楚氧氣是何時首次產(chǎn)生的，研究人員試圖弄清楚藍(lán)細(xì)菌是何時首次進(jìn)化的。

“我們的研究表明，氧氣光合作用可能在最近的藍(lán)藻祖先出現(xiàn)之前就開始了。這與目前的地質(zhì)數(shù)據(jù)一致，這些數(shù)據(jù)表明30億年前氧氣或局部積累的氧氣是可能的。

“因此，含氧光合作用的起源和藍(lán)藻的祖先并不代表同一件事。他們之間可能有很大的時間差距。這是一個巨大的變化?！?

現(xiàn)在，該團(tuán)隊正試圖重現(xiàn)D1和D2首次開發(fā)之前的照片系統(tǒng)。利用今天所有物種光系統(tǒng)遺傳密碼的已知變異，他們試圖拼湊祖先的光系統(tǒng)遺傳密碼。

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