物理科技生物学-PHYICA

大氧合事件有多“伟大本庄真弓”?

生物 2022-01-19 00:03:18

魏茨曼科学研究所 像这样的带状铁矿床包含了大氧化事件的线索

信用:魏茨曼科学研究所 大约2

50亿年前,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

大氧化事件的证据清晰可见,例如,在含有氧化铁的带状铁矿层中

当然,通用电气公司允许使用氧气的生物——呼吸器——以及最终我们自己进化

但是,从这种变化是彻底的和突然的意义上来说,这真的是一个“伟大的事件”吗?还是当时活着的生物体已经在使用游离氧,只是水平较低而已? 教授

魏茨曼科学研究所生物分子科学部的丹·陶菲克解释说,GOE的年代是无可争议的,因为分子氧是由光合微生物产生的

从化学角度来说,从光中获取的能量将水分解成质子(氢离子)和氧气

在这一过程中产生的电子被用来形成储能化合物(糖),而氧,一种副产品,最初被释放到周围环境中

然而,一个尚未解决的问题是:氧气的产生是与地球自转周期一致的,还是在此之前,生物就已经可以获得氧气?辩论的一方指出,在专家组之前,分子氧是不存在的,因为在此之前,大气和海洋的化学性质将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自由存在了足够长的时间,非光合生物甚至在专家组成立之前就已经把它抢购一空

这两者之间的一些推测提出了大气氧化的“绿洲”,或短暂的“波”

陶菲克小组的研究学生贾戈达·乔斯卡认为,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,通过追踪各种蛋白质是如何以及何时进化的方法,她和陶菲克可能会发现活的生物体是何时开始处理氧气的

这种系统发生树被广泛用于揭示物种或人类家族的历史,也用于蛋白质家族的历史。乔斯卡决定用类似的方法来揭示氧基酶的进化

在开始这项研究时,乔斯卡整理了大约130个已知的酶家族,这些酶在细菌和古细菌中制造或使用氧气——这种生命形式在太古宙(生命出现之间的时期,约

40亿年前,还有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有使用或释放氧气的活动,这似乎是创始功能

也就是说,第一个家族成员会以氧酶的形式出现

从这些中,她选择了36个其进化史可以最终追溯的物种

“当然,这一点也不简单,”陶菲克说

“基因可能在某些生物中丢失,给人一种印象,即它们是在成员体内进化而来的,并在成员体内存活

微生物水平共享基因,打乱了系统发育树,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进化树显示了大约30亿年前基于氧的酶进化的爆发——大约比围棋早5亿年

科学家们进一步研究了这个时间框架,发现这种爆发不是与大气中氧气的接管同时发生的,而是追溯到细菌离开海洋并开始在陆地上定居的时候

一些使用氧气的酶可以追溯到更远的地方

如果氧气的使用与GOE同时发生,那么使用氧气的酶将会在更晚的时候进化,所以研究结果支持了在GOE发生时氧气已经被许多生命形式所知的假设

乔斯卡和陶菲克提出的设想是这样的:氧气是周围化学活性最强的元素之一

像电池的一端一样,它很容易接受电子,从而提供额外的代谢能量

这使得它对许多生命形式极其有用,但也有潜在的破坏性

因此,光合作用生物以及生活在它们附近的其他生物必须迅速找到有效处理氧气的方法

这就解释了为什么会出现利用氧的酶来清除细胞中的分子氧

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利用“弹性”分子,如芳烃和脂类,因此吸收和利用氧气的酶可能很快就开始进化

陶菲克说,“这证实了氧气早在go之前就在生物圈中出现并持续存在的假设

达到更高的go水平需要时间,但那时氧气在生物圈中已广为人知

" 乔斯卡总结道:“我们的研究提出了一种全新的测定氧气出现时间的方法,这种方法有助于我们理解我们现在所知的生命是如何进化的

"

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