大气氧为何“迟到”数亿年？

最早的呼吸者

氧气是现如今地球上的一种至关重要且稳定存在的成分。但情况并非一直如此。目前形成的总体认识是：地球上最早的产氧者是大约在29亿年前出现的蓝细菌——这类微生物进化出了利用阳光和水进行光合作用的能力，并将氧气作为副产物释放出来。但直到大约23亿年前，氧气在一个被称为大氧化事件（GOE）的阶段，才成为大气中长期稳定的成分。

氧气的“最早产生”与“最终能在大气中持续存在”之间，存在着显著的时间滞后。这就引发了一个长期未解的谜题：为什么氧气需要如此漫长的时间，才得以在大气中逐步累积起来？蓝细菌在早期产生的氧气都到哪里去了？

科学家怀疑，在早期阶段，岩石可能通过多种地球化学反应“消耗”了相当大一部分氧气。而现在，一项新的研究提出了另一种可能，表明生物过程可能也在其中起到了作用。

在新研究中，研究团队追溯了一种使生物能够利用氧气的关键酶的进化起源。这种酶存在于当今绝大多数需氧、以氧呼吸的生命体中。他们的研究结果表明，这种酶是在比大氧化事件早数亿年的中太古代进化而来的。这意味着，一些早期生命形式可能在中太古代就进化出了利用氧气的能力。

给生命树定年

具体来说，他们发现在大氧化事件发生前数亿年，一些生物可能已经进化出了用于利用氧气的酶。这种酶可能使得生活在蓝细菌附近的生物，能够迅速“吞噬”微生物产生的哪怕是少量氧气；结果便是将氧气在大气中的累积过程推迟了数亿年。

在新的研究中，研究人员想知道，在最早的产氧者出现之后，是否也存在某些生命，能够把这些氧气用于有氧呼吸？他们认为，如果当时确实有某些生命形式可以利用氧气——哪怕只是少量，也可能在一定时期内阻止氧气在大气中不断累积。

为了检验这种可能性，研究团队把目光投向了一类对有氧呼吸至关重要的酶——血红素-铜型氧还原酶（HCO）。这类酶能把氧气还原为水，从细菌到人类，绝大多数以氧呼吸的需氧生物体内都有它们的身影。

研究团队把分析重点放在了这种酶的核心区域，因为氧气参与的反应正发生在这里。他们的目标是沿着时间轴向过去追溯这种酶的进化历程，看看它最早在何时出现，从而使生物具备利用氧气的能力。

他们首先确定了与这种酶对应的基因序列，然后利用自动化检索工具，在包含数百万种不同生物基因组信息的数据库中寻找相同序列——这是这项工作中最难的部分：这种酶几乎无处不在，存在于大多数现代生物体中，数据量极其庞大。因此研究人员必须对数据进行抽样和筛选，把它压缩成一个既能代表现代生命多样性、又足够小、便于计算的数据集。

最终，研究团队从数千种现代物种中提取出了这种酶的序列，并依据科学界对各物种何时出现、何时分化的既有认识，把这些序列绘制到一棵“生命进化树”上。随后，他们在这棵树中寻找那些可能为“起源时间”提供线索的特定物种。

例如，如果进化树上的某个生物存在化石记录，那么这条记录通常会含有该生物出现在地球上的时间估计。研究团队会用化石的年代来为进化树上的这一生物“钉”上一个时间点。 同理，他们可以在树上的多个位置“钉”上时间点，从而有效收紧对这种酶在不同谱系间进化更替所发生时间的估计范围。

最终，研究人员将这种酶一路追溯到中太古代——这是一个从32亿年前持续到28亿年前的地质时期。研究团队怀疑，正是在这一时期，这种酶首次出现——而这比大氧化事件早了数亿年。

改写有氧呼吸与地球增氧史

这些发现可能构成了地球上最早期的有氧呼吸证据之一。它表明，在蓝细菌进化出产氧能力后不久，其他生物也进化出了可利用氧气的这种酶。任何碰巧生活在蓝细菌附近的此类生物，都能迅速吸收蓝细菌不断产生的氧气。这些早期的需氧生物于是可能在一定程度上阻止氧气“逸入”大气，从而把氧气在大气中的累积推迟了数亿年。

这项研究极大地改写了关于有氧呼吸的叙事，它表明生物过程在消耗最早产生的氧气方面可能也扮演了角色。这为一种近年来逐渐浮现的观点增添了新证据：生命利用氧气的时间，可能远早于人们此前的认识。它也向人们展示了，在地球历史的各个时期，生命都拥有令人惊叹的创新能力。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2026/some-early-life-forms-may-have-breathed-oxygen-before-filling-atmosphere-0206

https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2025.113531

#图片来源：

封面图&首图：Husain et al. via MIT News