在地球早期的一段时间里，当一群被称为蓝藻细菌的微生物进化出含氧光合作用——将光和水转化为能量，并在这个过程中释放氧气的能力时，地球开始向适宜居住的方向转变。

这一进化时刻使得氧气最终在大气和海洋中积累成为可能，引发了多样化的多米诺骨牌效应，塑造了我们今天所知道的独特的宜居星球。

现在，麻省理工学院的科学家们对蓝藻细菌和含氧光合作用的起源有了一个精确的估计。他们的研究结果发表在今天的《英国皇家学会学报B》上。

他们开发了一种新的基因分析技术，表明今天生活的所有蓝藻细菌物种都可以追溯到一个共同的祖先，大约在29亿年前进化而来。他们还发现，蓝藻的祖先大约在34亿年前从其他细菌中分离出来，氧气光合作用可能是在其间的5亿年间，也就是太古宙期间进化的。

有趣的是，这一估计认为含氧光合作用的出现至少要早于大氧化事件4亿年，在这一时期，地球的大气和海洋首次经历了氧气含量的上升。这表明，蓝藻可能在早期就进化出了产生氧气的能力，但这种氧气需要一段时间才能真正在环境中占据一席之地。

“在进化过程中，事情总是从小事开始，”首席作者Greg Fournier说，他是麻省理工学院地球、大气和行星科学系的地球生物学副教授。“尽管有证据表明存在早期的含氧光合作用——这是地球上最重要、最令人惊叹的进化创新——但它仍然花了数亿年的时间才起飞。”

福尼尔在麻省理工学院的合著者包括凯尔西·摩尔(Kelsey Moore)、路易斯·蒂贝里奥·兰格尔(Luiz Thiberio Rangel)、杰克·帕耶特(Jack Payette)、莉莉·蒙帕(Lily Momper)和塔尼亚·博萨克(Tanja Bosak)。

慢导火线，还是野火?

对含氧光合作用起源的估计各不相同，追踪其演化过程的方法也各不相同。

例如，科学家可以使用地球化学工具在古代岩石中寻找氧化元素的痕迹。这些方法已经发现了氧气早在35亿年前就存在的迹象——这表明氧气的光合作用可能是来源，尽管其他来源也有可能。

研究人员还使用了分子时钟测年法，即利用当今微生物的基因序列来追溯进化史上的基因变化。在这些序列的基础上，研究人员利用模型来估计基因变化发生的速度，以追踪生物群体首次进化的时间。但是分子钟年代测定受到了古代化石质量和所选择的速率模型的限制，该模型可以根据假设的速率产生不同的年龄估计。

福涅尔说，不同的年龄估计可能意味着相互冲突的进化叙述。例如，一些分析表明，含氧光合作用很早就进化了，“就像一个缓慢的导火索”，而另一些分析则表明，它出现得很晚，然后“像野火一样迅速蔓延”，引发了大氧化事件和生物圈中的氧气积累。

他说:“为了让我们了解地球上可居住性的历史，重要的是我们要区分这些假说。”

水平基因

为了精确地确定蓝藻起源和氧气光合作用的时间，福涅尔和他的同事将分子时钟测定和水平基因转移配对——这是一种不完全依赖化石或速率假设的独立方法。

正常情况下，当基因从母体遗传下来时，生物体会“垂直”地继承基因。在极少数情况下，一个基因也可以从一个物种跳到另一个远亲物种。例如，一个细胞可能吃掉另一个细胞，并在这个过程中把一些新的基因合并到它的基因组中。

当这样的水平基因转移历史被发现时，很明显，获得基因的生物体比基因起源的生物体在进化上更年轻。福涅尔推断，这些实例可以用来确定某些细菌群之间的相对年龄。这些群体的年龄可以与各种分子钟模型预测的年龄进行比较。最接近的模型可能是最精确的，然后可以用来精确估计其他细菌物种的年龄——特别是蓝藻细菌。

根据这一推理，该团队在数千种细菌(包括蓝藻)的基因组中寻找横向基因转移的实例。他们还使用了由Bosak和Moore采集的现代蓝藻的新培养物，以更精确地使用蓝藻化石作为校准。最后，他们确定了34个明显的水平基因转移实例。然后他们发现，六分之一的分子时钟模型与团队水平基因转移分析中确定的相对年龄一致。

福涅尔使用这个模型来估计蓝藻“冠”群的年龄，这包括了所有现存的物种，并且已知具有氧气光合作用。他们发现，在太古代，冠群起源于大约29亿年前，而蓝藻细菌作为一个整体，在大约34亿年前从其他细菌中分离出来。这有力地表明，含氧光合作用在大氧化事件(GOE)之前的5亿年就已经发生了，而且蓝藻在氧气积累到大气中之前，已经产生了相当长的一段时间。

分析还显示，在GOE之前不久，大约24亿年前，蓝藻细菌经历了一次多样化的爆发。这意味着蓝藻细菌的快速扩张可能使地球进入了GOE，并向大气中释放了氧气。

福涅尔计划将水平基因转移应用于蓝藻细菌之外，以确定其他难以捉摸的物种的起源。

“这项工作表明，结合水平基因转移(HGTs)的分子时钟有望可靠地提供整个生命树中各个群体的年龄，即使是那些没有留下化石记录的古老微生物……这在以前是不可能的，”福涅尔说。

这项研究得到了西蒙斯基金会和国家科学基金会的部分支持。