蓝藻的球形菌落。
地球大气中的氧气是复杂生命所必需的，这些生命需要在有氧呼吸过程中利用氧气产生能量。大约24亿年前，大气的含氧量急剧上升，但有关当时为什么会发生这种情况的争议一直存在。一些科学家认为，24亿年前，第一次进化的蓝藻细菌能够进行产氧光合作用；也有科学家认为蓝藻细菌在24亿年前就已经进化了，但是有某种东西阻止了氧气在大气中积累。
蓝藻细菌能够进行相对复杂的产氧光合作用，与今天所有植物的光合作用类型相同。因此有人认为，在蓝藻细菌出现之前，更简单的产氧光合作用形式可能就已经存在，使生命可以利用到低水平的氧气。
近日，英国伦敦帝国理工学院领导的一个研究小组发现，蓝藻细菌进化之前至少10亿年就已经出现了光合作用。该研究结果显示，在地球45亿年的历史中，微生物进行产氧光合作用的时间可能比之前认为的要早至少10亿年。这一发现可能会改变人们对地球上复杂生命如何进化、何时进化，以及它们在其他行星上进化可能性的看法。论文于近期发表在《地球生物学》杂志上。
来自帝国理工学院生命科学系、论文的第一作者Tanai Cardona博士说：“我们知道蓝藻细菌非常古老，但是不知道它到底有多古老。假如蓝藻有25亿年的历史，那就意味着产氧光合作用早在35亿年前就开始了。这表明，在生命起源之后，产氧光合作用这样的过程可能不需要数十亿年就可以开始。”如果产氧光合作用进化得早，这可能意味着它是一个相对简单的进化过程，在遥远的系外行星上出现复杂生命的可能性就会相当高。”
科学家们很难利用地球上的岩石记录找出第一批氧气产生者是何时进化而来的。岩石越古老，就越稀有，也越难确切地证明在这些岩石中发现的微生物化石使用或产生了多少的氧气。
于是，研究小组转而研究参与光合作用的两种主要蛋白质的进化过程。在光合作用的第一阶段，蓝藻细菌在“光合系统II”蛋白质复合物的帮助下，利用光能将水分解成质子、电子和氧气。“光合系统II”由两种叫做D1和D2的蛋白质组成。最初，这两种蛋白质是相同的，而现在，它们的结构虽然非常相似，但潜在的基因序列是不同的。
这表明D1和D2是分开进化的。在蓝藻细菌和植物中，它们只有30%的序列是相同的。即使是在最初的形态下，D1和D2也能够进行产氧光合作用，所以知道它们多久以前是相同的，就可以揭示产氧光合作用最初是什么时候进化出来的。
为了找出100%相同的D1、D2蛋白质以及蓝藻细菌中与植物30%相似的蛋白质版本的时间差，研究小组确定了这些蛋白质的进化速度。利用强大的统计方法和光合作用进化中的已知事件，他们确定“光合系统II”中的D1和D2蛋白质进化极其缓慢——甚至比一些在生命的早期形式中发现的、最古老的蛋白质还要慢。据此，他们计算出这个时间差至少是10亿年，而且可能更长。
Cardona博士说：“通常情况下，产氧光合作用和蓝藻细菌的出现被认为是一回事。因此，为了弄清氧气是什么时候产生的，研究人员需要找出蓝藻细菌是什么时候开始进化的。而我们的研究表明，产氧光合作用可能早在蓝藻细菌最近的祖先出现之前就开始了。这与当前的地质数据相一致，这些数据表明，30亿年前就可能有氧气的呼出或局部积聚。”
因此，产氧光合作用的起源和蓝藻的祖先并不代表同一事件，两者之间可能存在很大的时间差距，这是一个视角上的巨大变化。现在，研究小组正在利用今天所有物种光合系统遗传密码的已知变异拼凑最早的遗传密码，试图重现D1和D2进化之前的光合系统。
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编译：花花
审稿：三水
责编：张梦
期刊来源：《地球生物学》
期刊编号：1472-4677
原文链接：
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181127131552.htm
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