大氧化事件有多伟大？酶家谱揭示了有机体何时开始使用氧气
像这样的带状铁矿床包含了大氧化事件的线索。图片来源：魏茨曼科学研究所
对酶进化的观察表明，生命早在主要事件之前就已经弄清楚了如何使用氧气。
大约 25 亿年前，我们的星球经历了可能是其历史上最大的变化：根据地质记录，分子氧突然从不存在变成随处可得。“大氧化事件”（GOE）的证据清晰可见，例如，在含有氧化铁的带状铁地层中。当然，GOE 是允许使用氧气的生物（呼吸器）以及最终我们自己进化的原因。但这是否确实是一个“重大事件”，因为这种变化是彻底而突然的，或者当时活着的生物体是否已经在使用游离氧，只是水平较低？
魏茨曼科学研究所生物分子科学系的 Dan Tawfik 教授解释说，GOE 的年代测定是无可争辩的，因为分子氧是由光合微生物产生的。从化学上讲，从光中获取的能量将水分解成质子（氢离子）和氧气。在这个过程中产生的电子被用来形成能量储存化合物（糖），而作为副产品的氧气最初被释放到周围环境中。
教授 Dan Tawfik 和 Jagoda Jabłońska。图片来源：魏茨曼科学研究所
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然而，尚未解决的问题是：氧气的产生是否与 GOE 一致，或者活的有机体甚至在该事件之前就可以获得氧气？这场辩论的一方指出，在 GOE 之前，分子氧是不可用的，因为在此之前，大气和海洋的化学性质会确保光合作用释放的任何氧气都会立即发生化学反应。然而，争论的第二个方面表明，光合微生物产生的一些氧气可能已经保持足够长的时间自由供非光合生物使用，甚至在 GOE 之前。介于这两者之间的几个猜想提出了大气氧合的“绿洲”或短暂的“波”。
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Tawfik 小组的研究生 Jagoda Jabłońska 认为该小组的重点——蛋白质进化——可以帮助解决这个问题。也就是说，使用追踪各种蛋白质如何以及何时进化的方法，她和陶菲克可能会发现生物体何时开始处理氧气。这种系统发育树被广泛用于揭示物种或人类家族以及蛋白质家族的历史，Jabłońska 决定使用类似的方法来挖掘基于氧的酶的进化。
一种酶“家谱”揭示了生物体何时开始使用氧气。图片来源：魏茨曼科学研究所
为了开始这项研究，Jabłońska 对大约 130 个已知的酶家族进行了分类，这些酶在细菌和古细菌中制造或使用氧气——这些生命形式本来可以在太古宙（生命出现之间的时期，大约40 亿年前和 GOE）。从这些中，她选择了大约一半，其中大多数或所有家庭成员都发现了耗氧或排放活动，并且似乎是创始功能。也就是说，第一个家庭成员将作为一种氧气酶出现。从这些中，她选择了 36 个，它们的进化历史可以被最终追溯。“当然，这远非简单，”Tawfik 说。“基因可能会在某些生物体中丢失，给人的印象是它们后来在它们所保留的成员中进化。微生物水平共享基因，弄乱系统发育树并导致高估酶的年龄。我们必须纠正后者，尤其是。”
研究人员最终获得的系统发育树显示了大约 30 亿年前的一次基于氧的酶进化——大约比 GOE 早了 50 亿年。进一步检查这个时间框架，科学家们发现，这种爆发与细菌离开海洋并开始在陆地上定居的时间不同，而不是与大气中的氧气相吻合。一些耗氧酶可以追溯到更远的地方。如果氧气的使用与 GOE 相吻合，那么使用它的酶就会进化得更晚，因此研究结果支持了这样一种情况，即在 GOE 发生时，许多生命形式已经知道氧气。
Jabłońska 和 Tawfik 提出的方案如下所示：氧气是周围最具化学反应性的元素之一。就像电池的一端一样，它很容易接受电子，从而提供额外的新陈代谢能力。这使得它对许多生命形式非常有用，但也可能具有破坏性。因此，光合生物以及生活在其附近的其他生物必须迅速开发出有效处理氧气的方法。这将解释从细胞中去除分子氧的氧利用酶的出现。然而，一种微生物的废物是另一种微生物的潜在生命来源。氧气独特的反应性使生物体能够分解并使用“弹性”分子，例如芳烃和脂质，因此吸收和使用氧气的酶可能很快就开始进化。
Tawfik：“这证实了氧在 GOE 之前就已经出现并持续存在于生物圈中的假设。达到更高的 GOE 水平需要时间，但那时氧气在生物圈中已广为人知。”
Jabłońska：“我们的研究提出了一种全新的氧气出现年代测定方法，它可以帮助我们了解我们现在所知道的生命是如何进化的。”