大氣氧為何“遲到”數億年？

最早的呼吸者

氧氣是現如今地球上的一種至關重要且穩定存在的成分。但情況并非一直如此。目前形成的總體認識是：地球上最早的產氧者是大約在29億年前出現的藍細菌——這類微生物進化出了利用陽光和水進行光合作用的能力，并將氧氣作為副產物釋放出來。但直到大約23億年前，氧氣在一個被稱為大氧化事件（GOE）的階段，才成為大氣中長期穩定的成分。

氧氣的“最早產生”與“最終能在大氣中持續存在”之間，存在著顯著的時間滯后。這就引發了一個長期未解的謎題：為什么氧氣需要如此漫長的時間，才得以在大氣中逐步累積起來？藍細菌在早期產生的氧氣都到哪里去了？

科學家懷疑，在早期階段，巖石可能通過多種地球化學反應“消耗”了相當大一部分氧氣。而現在，一項新的研究提出了另一種可能，表明生物過程可能也在其中起到了作用。

在新研究中，研究團隊追溯了一種使生物能夠利用氧氣的關鍵酶的進化起源。這種酶存在于當今絕大多數需氧、以氧呼吸的生命體中。他們的研究結果表明，這種酶是在比大氧化事件早數億年的中太古代進化而來的。這意味著，一些早期生命形式可能在中太古代就進化出了利用氧氣的能力。

給生命樹定年

具體來說，他們發現在大氧化事件發生前數億年，一些生物可能已經進化出了用于利用氧氣的酶。這種酶可能使得生活在藍細菌附近的生物，能夠迅速“吞噬”微生物產生的哪怕是少量氧氣；結果便是將氧氣在大氣中的累積過程推遲了數億年。

在新的研究中，研究人員想知道，在最早的產氧者出現之后，是否也存在某些生命，能夠把這些氧氣用于有氧呼吸？他們認為，如果當時確實有某些生命形式可以利用氧氣——哪怕只是少量，也可能在一定時期內阻止氧氣在大氣中不斷累積。

為了檢驗這種可能性，研究團隊把目光投向了一類對有氧呼吸至關重要的酶——血紅素-銅型氧還原酶（HCO）。這類酶能把氧氣還原為水，從細菌到人類，絕大多數以氧呼吸的需氧生物體內都有它們的身影。

研究團隊把分析重點放在了這種酶的核心區域，因為氧氣參與的反應正發生在這里。他們的目標是沿著時間軸向過去追溯這種酶的進化歷程，看看它最早在何時出現，從而使生物具備利用氧氣的能力。

他們首先確定了與這種酶對應的基因序列，然后利用自動化檢索工具，在包含數百萬種不同生物基因組信息的數據庫中尋找相同序列——這是這項工作中最難的部分：這種酶幾乎無處不在，存在于大多數現代生物體中，數據量極其龐大。因此研究人員必須對數據進行抽樣和篩選，把它壓縮成一個既能代表現代生命多樣性、又足夠小、便于計算的數據集。

最終，研究團隊從數千種現代物種中提取出了這種酶的序列，并依據科學界對各物種何時出現、何時分化的既有認識，把這些序列繪制到一棵“生命進化樹”上。隨后，他們在這棵樹中尋找那些可能為“起源時間”提供線索的特定物種。

例如，如果進化樹上的某個生物存在化石記錄，那么這條記錄通常會含有該生物出現在地球上的時間估計。研究團隊會用化石的年代來為進化樹上的這一生物“釘”上一個時間點。 同理，他們可以在樹上的多個位置“釘”上時間點，從而有效收緊對這種酶在不同譜系間進化更替所發生時間的估計范圍。

最終，研究人員將這種酶一路追溯到中太古代——這是一個從32億年前持續到28億年前的地質時期。研究團隊懷疑，正是在這一時期，這種酶首次出現——而這比大氧化事件早了數億年。

改寫有氧呼吸與地球增氧史

這些發現可能構成了地球上最早期的有氧呼吸證據之一。它表明，在藍細菌進化出產氧能力后不久，其他生物也進化出了可利用氧氣的這種酶。任何碰巧生活在藍細菌附近的此類生物，都能迅速吸收藍細菌不斷產生的氧氣。這些早期的需氧生物于是可能在一定程度上阻止氧氣“逸入”大氣，從而把氧氣在大氣中的累積推遲了數億年。

這項研究極大地改寫了關于有氧呼吸的敘事，它表明生物過程在消耗最早產生的氧氣方面可能也扮演了角色。這為一種近年來逐漸浮現的觀點增添了新證據：生命利用氧氣的時間，可能遠早于人們此前的認識。它也向人們展示了，在地球歷史的各個時期，生命都擁有令人驚嘆的創新能力。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Husain et al. via MIT News