大約在30億年前地球上的生命突然進(jìn)入一個(gè)爆發(fā)期。
生命之樹截面上古代基因組中基因家族的進(jìn)化。小圓形分格的大小表示進(jìn)化事件的數(shù)量，薄片代表事件類型，紅色代表基因形成，藍(lán)色代表基因復(fù)制，綠色代表基因橫向轉(zhuǎn)移，黃色代表基因丟失。
地球生命的起源一直是困擾科學(xué)家的難題，然而日前美國(guó)麻省理工學(xué)院科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，大約在30億年前隨著早期動(dòng)物開始學(xué)會(huì)如何利用來自太陽的能量，地球上的生命突然進(jìn)入一個(gè)爆發(fā)期。
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，專家們對(duì)遠(yuǎn)古基因進(jìn)行了深入研究，并繪制出一幅地球最早期動(dòng)物的圖景。他們認(rèn)為，當(dāng)微生物開始學(xué)會(huì)利用氧氣和來自太陽的能量生活時(shí)，最早期的生命開始進(jìn)化和發(fā)展。美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員分析了1000個(gè)如今仍然存在的關(guān)鍵基因，并掌握了它們是如何從遠(yuǎn)古時(shí)期進(jìn)化過來的。
專家們還研制了一種“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(yuǎn)古微生物是如何支配這些基因的。他們的計(jì)算結(jié)果顯示，所有的現(xiàn)存基因，大約有27%形成于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(jìn)入了一個(gè)快速變化時(shí)期，即寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時(shí)期，當(dāng)時(shí)生命形態(tài)復(fù)雜多樣。
化石幫助古生物學(xué)家制定出生命進(jìn)化的編年史，但是如果想繪制出寒武紀(jì)之前的30億年間的生命圖景則相當(dāng)困難，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)期的軟體動(dòng)物很少會(huì)留下化石印跡。不過，那些早期生命形態(tài)仍然留下了一種細(xì)微的化石：DNA。
因?yàn)樗械纳矬w都從父輩那里遺傳基因組，因此麻省理工學(xué)院的計(jì)算生物學(xué)家推理認(rèn)為，他們可以利用現(xiàn)代基因組推想古代微生物的進(jìn)化過程。他們將不斷增長(zhǎng)的基因組庫中的信息與一種數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來。這種數(shù)學(xué)模型考慮到了數(shù)百萬年間各種基因遺傳、交換和丟失的因素。
專家埃里克-阿爾姆和勞倫斯-戴維將這一時(shí)期稱為“太古代大爆發(fā)”。由于他們識(shí)別的許多新基因都與氧氣有關(guān)，因此阿爾姆和戴維首先考慮到，氧氣的出現(xiàn)可能也是造成“太古代大爆發(fā)”的原因之一?？茖W(xué)家認(rèn)為，直到大約25億年前，氧氣才開始在地球大氣層中出現(xiàn)并不斷積聚，并可能在“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(xì)胞生命史上最嚴(yán)重的災(zāi)難事件，不過我們還沒有發(fā)現(xiàn)任何的生物學(xué)記錄。”
然而，進(jìn)一步深入研究發(fā)現(xiàn)，利用氧氣的基因直到28億年前的“太古代大爆發(fā)”末期才出現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)與地球化學(xué)家關(guān)于“大氧化事件”的設(shè)想更為一致。阿爾姆和戴維相信，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代電子轉(zhuǎn)移的最初來源。電子轉(zhuǎn)移是一個(gè)生物化學(xué)過程，它負(fù)責(zé)在細(xì)胞膜內(nèi)運(yùn)送電子。電子轉(zhuǎn)移被動(dòng)物用來呼吸氧氣，植物和某些微生物在光合作用時(shí)也需要這一過程，光合作用直接收獲太陽的能量。一種被稱為“生氧光合作用”的光合作用被認(rèn)為是與“大氧化事件”的氧氣產(chǎn)生有關(guān)，也與我們今天呼吸的氧氣有關(guān)。
專家認(rèn)為“太古代大爆發(fā)”期間的電子轉(zhuǎn)移應(yīng)該經(jīng)歷了進(jìn)化生命歷史的數(shù)個(gè)重要階段，如呼吸作用、光和作用等，兩個(gè)階段都引發(fā)了生物圈收獲和存儲(chǔ)了大量的能量。戴維表示，“雖然研究結(jié)果并沒有完全說明電子轉(zhuǎn)移的進(jìn)化是否直接導(dǎo)致‘太古代大爆發(fā)’。但是，我們可以推測(cè)到，生物圏一定是得到了更多的能量，才可以支持更大、更復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)。”
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