新發現：早在35億年前，生命存在的一個必要條件就已經出現了？
地球大氣中的氧氣是複雜生命形式所必需的，它們在有氧呼吸過程中利用氧氣產生能量。大約24億年前，大氣中的含氧量急劇上升，但當時為什麼會發生這種情況呢？
一些科學家認為，24億年前，被稱為藍藻細菌的生物第一次進化，能夠進行產氧光合作用。另一些科學家則認為，在更早之前，藍藻細菌就已經進化了，但是某些事物阻止了氧氣在空氣中的累積。
藍藻細菌。| 圖片來源：Matthew J. Parker
那麼，最初的產氧光合作用到底是什麼時候出現的呢？
藍藻細菌與光合作用
通常，光合作用和藍藻細菌的出現被認為是一回事。因此，為了弄清楚氧氣最初是什麼時候產生的，研究人員試圖找出藍藻細菌是什麼時候開始進化的。
但是，也有人認為，藍藻細菌進行著一種相對複雜的產氧光合作用——與今天所有植物的光合作用類型相同，因此，在藍藻出現之前，更簡單的產氧光合作用形式可能已經存在。
人們爭論著不同的觀點，但是關鍵問題是，證據呢？
沒有人看見生命賴以生存的氧氣最初是什麼時候產生的，人類的出現是很久很久之後的事情，或許，我們可以通過地球上留下的古老化石尋找氧氣的痕迹？然而，岩石越古老就越稀有，也就越難確切證明，在這些古老岩石中發現的任何化石微生物是否使用或產生了任何數量的氧氣。科學家們很難利用地球上的岩石記錄找出第一批氧氣製造者是何時進化而來的。
那麼，除了化石，自然還留下了什麼痕迹呢？
基因，存在於生命體內的基因。基因忠實地記錄著生物進化過程中發生的種種事件，積累著環境帶來的變化。因此，倫敦帝國理工學院的一個研究小組試圖從參與光合作用的蛋白質的演化過程，來追溯產氧光合作用最初是什麼時候進化出來的。
從進化中尋找答案
在光合作用的第一階段，藍藻細菌利用光能，在一種被稱為光系統II（Photosystem II）的蛋白質複合物的幫助下，將水分解成質子、電子和氧氣。光系統II由D1和D2兩種蛋白質組成。最初，這兩種蛋白質是相同的，然而，儘管如今它們依然有著非常相似的蛋白質結構，它們的潛在基因序列卻並不相同。在藍藻細菌和植物中，這兩種蛋白質的基因序列只有30%是相同的。
這說明什麼呢？我們知道，生物的遺傳密碼具有簡併性——幾種不同的基因序列可能編碼著相同的氨基酸，即使遺傳密碼隨著時間流逝緩慢變化，卻並不會改變蛋白質的結構和功能。因此，D1、D2這兩種蛋白質結構高度相似而基因序列不同的事實表明，它們是獨立進化的。
（a）生物進行光合作用的形式分為兩種：不產氧光合作用（節點K，紅色區域）和 產氧光合作用（節點D0，藍色區域）。產氧光合作用的特點是，利用光能將水分解產生氧氣，藍藻細菌和真核生物進行的都是產氧光合作用。負責產氧光合作用的D1、D2蛋白質來自於共同的祖先蛋白質，其種系發生關係如（b-c）所示。| 圖片來源：[2]
即使是在最初的形態下，D1和D2也能夠進行光合作用。如果找出藍藻細菌和植物的D1、D2蛋白質的基因序列從100%相同，演化到只有30%相同經過了多長時間，就可以確定這些蛋白質的變化有多快，也就是它們的演化速率。
利用強大的統計方法，以及在光合作用的進化中已知的事件，研究人員確定，光系統II中D1、D2蛋白質進化得極其緩慢，甚至比被認為是在生命的早期形式中發現的最古老的蛋白質還要慢。
根據演化速率，他們推算出，藍藻細菌和植物的D1、D2蛋白質的基因序列從100%相同演化到只有30%相同，至少經過了10億年時間，而且可能更久。
基因序列相似度與演化時間的關係。D1、D2蛋白質的相似度約為29%，它們與不產氧光合作用蛋白質（L、M）的差異更大。圖中淺橙色條帶表示24億年前的大氧化事件。紅色虛線表示，如果恰好從大氧化事件之前開始，按照D1、D2蛋白質現在的演化速率推算，它們的基因序列相似度要高得多。| 圖片來源：[2]
倫敦帝國理工學院生命科學系的Tanai Cardona博士說，我們知道藍藻細菌非常古老，但是我們不知道它到底有多古老。假如藍藻細菌有25億年的歷史，那就意味著，光合作用或許早在35億年前就開始了。這表明，在生命起源之後，可能不需要幾十億年，產氧光合作用就開始了。這與當前的地質學數據相一致，這些數據表明，在30億年前，可能已經有氧氣的呼出或局部積聚。
「因此，產氧光合作用的起源和藍細菌祖先的出現並不代表相同的東西。兩者之間可能存在漫長的時間間隔。這是一個視角上的巨大變化。」
現在，研究小組正試圖重現在D1、D2進化之前的光系統是什麼樣子。利用今天所有物種的光系統遺傳密碼的已知變異，他們試圖拼湊出最早祖先的光系統遺傳密碼。
如果產氧光合作用進化得很早，這或許意味著，它是一個相對簡單的進化過程。那麼，在遙遠的系外行星上出現複雜生命的可能性是相當高的。
[1] https://www.imperial.ac.uk/news/189232/oxygen-could-have-been-available-life/
[2] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gbi.12322
TAG:原理 |