[圖文]研究發現30億年前地球生命曾進入爆發期
大約在30億年前隨著早期生命開始學會如何利用來自太陽的能量,地球上的生命突然進入一個爆發期。
本圖顯示了生命之樹截面上古代基因組中基因家族的進化。其中,小圓形分格的大小表示體系中進化事件的數量,薄片代表事件類型,如紅色代表基因形成,藍色代表基因複製,綠色代表基因橫向轉移,黃色代表基因丟失。
據國外媒體報道,美國麻省理工學院科學家近日研究發現,大約在30億年前隨著早期動物開始學會如何利用來自太陽的能量,地球上的生命突然進入一個爆發期。
科學家們對遠古基因進行了深入研究,並繪製出一幅地球最早期動物的圖景。他們認為,當微生物開始學會利用氧氣和來自太陽的能量生活時,最早期的生命開始進化和發展。美國麻省理工學院研究人員研究了1000個如今仍然存在的關鍵基因,並掌握了它們是如何從遠古時期進化過來的。
科學家們研製了一種「基因化石」,這種「基因化石」不僅僅可以告訴人們基因是如何形成的,也可以讓人們知道遠古微生物是如何支配這些基因的。他們的計算結果顯示,所有的現存基因,大約有27%形成於33億年前到28億年前之間。在大約5.8億年前,地球上的生命開始進入了一個快速變化時期,即寒武紀生命大爆發時期,當時生命形態複雜多樣。
化石可以幫助古生物學家制定出生命進化的編年史,但是如果想繪製出寒武紀之前的30億年間的生命圖景則相當困難,因為那個時期的軟體動物很少會留下化石印跡。不過,那些早期生命形態仍然留下了一種細微的化石:DNA。
由於所有活著的生物體都從父輩那裡遺傳基因組,因此麻省理工學院的計算生物學家推理認為,他們可以利用現代基因組推想古代微生物的進化過程。他們將不斷增長的基因組庫中的信息與一種數學模型結合起來。這種數學模型考慮到了數百萬年間各種基因遺傳、交換和丟失的因素。
科學家埃裡克-阿爾姆和勞倫斯-戴維將這一時期稱為「太古代大爆發」。由於他們識別的許多新基因都與氧氣有關,因此阿爾姆和戴維首先考慮到,氧氣的出現可能也是造成「太古代大爆發」的原因之一。科學家認為,直到大約25億年前,氧氣才開始在地球大氣層中出現並不斷積聚,並可能在「大氧化事件」中殺死了大量的厭氧生命。阿爾姆表示,「『大氧化事件』可能是細胞生命史上最嚴重的災難事件,不過我們還沒有發現任何的生物學記錄。」
然而,進一步深入研究發現,利用氧氣的基因直到28億年前的「太古代大爆發」末期才出現。這一發現與地球化學家關於「大氧化事件」的設想更為一致。阿爾姆和戴維相信,他們已經發現了現代電子轉移的最初來源。電子轉移是一個生物化學過程,它負責在細胞膜內運送電子。電子轉移被動物用來呼吸氧氣,植物和某些微生物在光合作用時也需要這一過程,光合作用直接收穫太陽的能量。一種被稱為「生氧光合作用」的光合作用被認為是與「大氧化事件」的氧氣產生有關,也與我們今天呼吸的氧氣有關。
「太古代大爆發」期間的電子轉移進化應該經歷了生命歷史的數個關鍵階段,如光合作用、呼吸作用等,兩個階段都導致生物圈收穫和存儲了大量的能量。戴維表示,「我們的研究結果並沒有說明電子轉移的進化是否直接導致『太古代大爆發』。但是,我們可以推測到,生物圈得到了更多的能量,因此可以支持更大、更複雜的微生物生態系統。」