有氧呼吸起源竟早于亿年前，科学研究揭示惊人真相

氧气是今天地球上至关重要且持续存在的成分。但以前并不是这样。直到大约23亿年前，氧气才成为大气中的永久成分，这一时期被称为大氧化事件（GOE），它为我们今天所知的需氧生命奠定了进化基础。麻省理工学院的研究人员的一项新研究表明，一些早期生命形式可能在大氧化事件之前的几亿年就进化出了利用氧气的能力。这些发现可能是地球上有氧呼吸最早的证据之一。

在他们的研究中，发表在期刊 Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 的 研究中，麻省理工学院的地球生物学家追溯了一种关键酶的进化起源，该酶使生物能够使用氧气。这种酶在今天绝大多数需氧生物中都能找到。研究小组发现，这种酶是在中太古代进化而来的——这是一个比大氧化事件早数亿年的地质时期。

这个研究小组的结果可能有助于解释地球历史上的一个长期难题：为什么氧气在大气中积累花了这么长时间？

地球上最早的氧气生产者是蓝藻——这些微生物进化出了利用阳光和水进行光合作用的本领，释放氧气作为副产品。科学家们已确定蓝藻大约在29亿年前出现。因此，这些微生物在大氧化事件之前的几亿年里可能一直在释放氧气。那么，蓝藻早期产生的氧气都去哪儿了呢？

科学家们怀疑，岩石可能通过各种地球化学反应在早期吸收了大量的氧气。麻省理工学院团队的新研究表明，生物学也可能起到作用。

研究人员发现，一些生物可能在大氧化事件发生的几亿年前就进化出了利用氧气的酶类。这种酶可能使生活在蓝藻附近的生物能够吞噬微生物所产生的微量氧气，从而延缓了氧气在大气中的积累，长达几亿年。

“这确实改变了我们对有氧呼吸的理解，”研究共同作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）博士后法蒂玛·侯赛因说。“我们的研究为这个最近被提出的观点增添了新的内容，即生命可能比之前认为的更早就开始使用氧气。这向我们展示了生命在地球历史上各个时期的惊人创新能力。”

这项研究的其他共同作者有麻省理工学院地球生物学副教授格雷戈里·福尔尼尔，以及俄勒冈大学的尚海涛和斯蒂利亚诺斯·卢卡。

首批呼吸者

这项新研究为麻省理工学院长期致力于研究地球氧气历史的工作增添了新的内容。这项研究帮助确定了大氧化事件的时间以及产生氧气的蓝藻的最早证据。总体理解是，氧气大约在29亿年前首次由蓝藻产生，而大氧化事件——即氧气最终积累到足以在大气中持续存在的时期——则发生在更晚的时间，大约在23.3亿年前。

对于侯赛因和她的同事们来说，氧气首次产生与其最终持续之间的明显延迟引发了一个问题。“我们知道，产生氧气的微生物在大氧化事件之前就已经存在，”侯赛因说。“所以，自然会有人问，那时候有没有生命能够利用这些氧气进行有氧呼吸？”

如果确实存在一些使用氧气的生命形式，即使是微量的，它们可能在一定程度上阻止了氧气在大气中积累，至少持续了一段时间。

为了探讨这种可能性，麻省理工学院的团队研究了血红素-铜氧化还原酶，这是一组对有氧呼吸至关重要的酶。这些酶的作用是把氧气还原成水，它们在今天大多数有氧呼吸的生物中都能找到，从细菌到人类。

“我们分析的重点是这个酶的核心，因为反应与氧气的实际发生就在这里，”侯赛因解释道。

树木的年代

该团队旨在追溯该酶的进化历程，以了解这个酶首次出现的时间，从而使生物能够利用氧气。他们首先确定了该酶的基因序列，然后使用自动搜索工具在包含数百万种不同生物基因组的数据库中查找相同的序列。

“这项工作最难的部分就是数据太多，”福尔尼耶说。“这种酶几乎到处都有，存在于大多数现代生物中。因此，我们必须对数据进行抽样和过滤，以得到一个既能代表现代生命多样性，又足够小以便进行计算的数据集，这并不简单。”

研究小组最终从几千种现代物种中分离出酶的序列，并将这些序列映射到生命的进化树上，根据科学家们对每个物种可能进化和分支时间的了解。他们随后在这棵树上寻找可能提供有关其起源的相关信息的特定物种。

例如，如果树上有某个特定生物的化石记录，该记录将包括该生物出现在地球上的估计时间。研究小组将利用该化石的年龄在树上“标记”该生物的出现时间。以类似的方式，他们可以在树上标记多个时间点，从而更准确地估计酶从一个物种进化到下一个物种的时间。

最终，研究人员能够追溯到中太古代——一个持续了32亿到28亿年前的地质时代。大约在这个时候，研究小组认为酶和生物利用氧气的能力首次出现。这个时期比大氧化事件早了几亿年。

新的发现表明，在蓝藻进化出产生氧气的能力后不久，其他生物也进化出了利用氧气的酶。任何生活在蓝藻附近的生物都能迅速吸收蓝藻释放的氧气。这些早期的好氧生物可能在防止氧气逃逸到大气中方面发挥了一定作用，延缓了氧气的积累，长达数亿年。

“综合来看，麻省理工学院的研究填补了我们对地球氧化过程知识的空白，”侯赛因说。“拼图的碎片正在逐渐拼合，真正强调了生命是如何在这个新的氧气丰富的世界中多样化和生存的。”

更多信息： Fatima Husain 等，分子钟证据表明血红素-铜氧还原酶酶在太古代的多样化，古地理学、古气候学、古生态学（2026）。 DOI: 10.1016/j.palaeo.2025.113531