大氧化事件：麻省理工學院科學家對科學大謎團之一的新假設
大約 23 億年前，氧氣開始在大氣中積累，最終達到我們今天呼吸的維持生命的水平。麻省理工學院科學家提出的一項新假設提出了一種可能發生這種情況的機制。圖為古元古代生物的例子。來源：麻省理工學院新聞
微生物和礦物質可能引發了地球的氧化
科學家們提出了一種新的機制，氧氣可能首先通過這種機制在大氣中積累。
在地球歷史的最初 20 億年中，空氣中幾乎沒有氧氣。雖然在這一時期的后期，一些微生物正在進行光合作用，但氧氣尚未積累到會影響全球生物圈的水平。
但大約在 23 億年前，這種穩定的低氧平衡發生了變化，氧氣開始在大氣中積累，最終達到我們今天呼吸的維持生命的水平。這種快速注入被稱為大氧合事件，或 GOE。是什么觸發了這一事件并使地球擺脫了低氧恐懼癥，這是科學的一大謎團。
麻省理工學院科學家提出的一項新假設表明，由于某些海洋微生物與海洋沉積物中的礦物質之間的相互作用，氧氣最終開始在大氣中積累。這些相互作用有助于防止氧氣被消耗，從而引發了一個自我放大的過程，在這個過程中，越來越多的氧氣可以在大氣中積累。
科學家們使用數學和進化分析提出了他們的假設，表明在 GOE 之前確實存在微生物，并以研究人員提出的方式進化出與沉積物相互作用的能力。
他們的研究今天發表在《自然通訊》上，首次將微生物和礦物質的共同進化與地球的氧合聯系起來。
研究作者、麻省理工學院地球、大氣和行星科學系 (EAPS) 地球物理學教授 Daniel Rothman 說：“地球歷史上最重要的生物地球化學變化可能是大氣的氧化作用。”?“我們展示了微生物、礦物質和地球化學環境的相互作用如何協同作用以增加大氣中的氧氣。”
該研究的合著者包括主要作者、前麻省理工學院研究生尚海濤和 EAPS 地球生物學副教授 Gregory Fournier。
上一步
今天大氣中的氧氣含量是產生氧氣的過程和消耗氧氣的過程之間的穩定平衡。在 GOE 之前，大氣保持著一種不同的平衡，氧氣的生產者和消費者處于平衡狀態，但不會為大氣留下太多額外的氧氣。
是什么可以將地球從一種穩定的缺氧狀態推向另一種穩定的富氧狀態？
“如果你看看地球的歷史，似乎有兩次跳躍，從低氧的穩定狀態到高氧的穩定狀態，一次是在古元古代，一次是在新元古代，”Fournier 指出。“這些跳躍不可能是因為過量氧氣逐漸增加。一定有一些反饋循環導致了穩定性的這種階躍變化。”
他和他的同事想知道，這樣一個積極的反饋循環是否可能來自海洋中的一個過程，該過程使一些有機碳對其消費者來說是無法獲得的。有機碳主要通過氧化消耗，通常伴隨著氧氣的消耗——海洋中的微生物利用氧氣分解有機物的過程，例如沉積在沉積物中的碎屑。研究小組想知道：是否存在某種過程，氧氣的存在刺激了氧氣的進一步積累？
尚和羅斯曼建立了一個數學模型，做出了以下預測：如果微生物具有僅部分氧化有機物的能力，那么部分氧化的物質或“POOM”將有效地變得“粘性”，并與礦物質發生化學結合。以保護材料免受進一步氧化的方式沉積。否則會消耗掉以完全降解材料的氧氣將自由地積聚在大氣中。他們發現，這個過程可以作為一種正反饋，提供一個自然泵，將大氣推入新的高氧平衡。
“這讓我們問，是否存在產生 POOM 的微生物代謝？”?傅立葉說。
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在基因中
為了回答這個問題，該團隊搜索了科學文獻，并確定了今天在深海中部分氧化有機物的一組微生物。這些微生物屬于細菌群 SAR202，它們的部分氧化是通過一種酶、Baeyer-Villiger 單加氧酶或 BVMO 進行的。
該團隊進行了系統發育分析，以了解可以追溯到多遠的微生物和酶的基因。他們發現，這些細菌確實有可以追溯到 GOE 之前的祖先，而且這種酶的基因可以在各種微生物物種中追蹤，最早可以追溯到 GOE 之前的時代。
更重要的是，他們發現該基因的多樣化，或獲得該基因的物種數量，在大氣經歷氧合峰值的時期顯著增加，包括在 GOE 的古元古代和新元古代。
“我們發現 POOM 產生基因的多樣化與大氣中的氧氣含量之間存在一些時間相關性，”尚說。“這支持了我們的整體理論。”
為了證實這一假設，需要更多的后續行動，從實驗室的實驗到實地調查，以及介于兩者之間的一切。通過他們的新研究，該團隊在古老的案例中引入了一個新的嫌疑人，即地球大氣中的含氧物質。
“提出一種新方法，并展示其合理性的證據，是第一步但也是重要的一步，”Fournier 說。“我們已經確定這是一個值得研究的理論。”
參考：“氧化代謝催化地球的氧合”，作者 Haitao Shang、Daniel H. Rothman 和 Gregory P. Fournier，2022 年 3 月 14 日，Nature Communications。
DOI: 10.1038/s41467-022-28996-0
這項工作得到了 mTerra 催化劑基金和國家科學基金會的部分支持。