大氧化事件：麻省理工学院科学家对科学大谜团之一的新假设
大约 23 亿年前，氧气开始在大气中积累，最终达到我们今天呼吸的维持生命的水平。麻省理工学院科学家提出的一项新假设提出了一种可能发生这种情况的机制。图为古元古代生物的例子。来源：麻省理工学院新闻
微生物和矿物质可能引发了地球的氧化
科学家们提出了一种新的机制，氧气可能首先通过这种机制在大气中积累。
在地球历史的最初 20 亿年中，空气中几乎没有氧气。虽然在这一时期的后期，一些微生物正在进行光合作用，但氧气尚未积累到会影响全球生物圈的水平。
但大约在 23 亿年前，这种稳定的低氧平衡发生了变化，氧气开始在大气中积累，最终达到我们今天呼吸的维持生命的水平。这种快速注入被称为大氧合事件，或 GOE。是什么触发了这一事件并使地球摆脱了低氧恐惧症，这是科学的一大谜团。
麻省理工学院科学家提出的一项新假设表明，由于某些海洋微生物与海洋沉积物中的矿物质之间的相互作用，氧气最终开始在大气中积累。这些相互作用有助于防止氧气被消耗，从而引发了一个自我放大的过程，在这个过程中，越来越多的氧气可以在大气中积累。
科学家们使用数学和进化分析提出了他们的假设，表明在 GOE 之前确实存在微生物，并以研究人员提出的方式进化出与沉积物相互作用的能力。
他们的研究今天发表在《自然通讯》上，首次将微生物和矿物质的共同进化与地球的氧合联系起来。
研究作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系 (EAPS) 地球物理学教授 Daniel Rothman 说：“地球历史上最重要的生物地球化学变化可能是大气的氧化作用。” “我们展示了微生物、矿物质和地球化学环境的相互作用如何协同作用以增加大气中的氧气。”
该研究的合著者包括主要作者、前麻省理工学院研究生尚海涛和 EAPS 地球生物学副教授 Gregory Fournier。
上一步
今天大气中的氧气含量是产生氧气的过程和消耗氧气的过程之间的稳定平衡。在 GOE 之前，大气保持着一种不同的平衡，氧气的生产者和消费者处于平衡状态，但不会为大气留下太多额外的氧气。
是什么可以将地球从一种稳定的缺氧状态推向另一种稳定的富氧状态？
“如果你看看地球的历史，似乎有两次跳跃，从低氧的稳定状态到高氧的稳定状态，一次是在古元古代，一次是在新元古代，”Fournier 指出。“这些跳跃不可能是因为过量氧气逐渐增加。一定有一些反馈循环导致了稳定性的这种阶跃变化。”
他和他的同事想知道，这样一个积极的反馈循环是否可能来自海洋中的一个过程，该过程使一些有机碳对其消费者来说是无法获得的。有机碳主要通过氧化消耗，通常伴随着氧气的消耗——海洋中的微生物利用氧气分解有机物的过程，例如沉积在沉积物中的碎屑。研究小组想知道：是否存在某种过程，氧气的存在刺激了氧气的进一步积累？
尚和罗斯曼建立了一个数学模型，做出了以下预测：如果微生物具有仅部分氧化有机物的能力，那么部分氧化的物质或“POOM”将有效地变得“粘性”，并与矿物质发生化学结合。以保护材料免受进一步氧化的方式沉积。否则会消耗掉以完全降解材料的氧气将自由地积聚在大气中。他们发现，这个过程可以作为一种正反馈，提供一个自然泵，将大气推入新的高氧平衡。
“这让我们问，是否存在产生 POOM 的微生物代谢？” 傅立叶说。
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在基因中
为了回答这个问题，该团队搜索了科学文献，并确定了今天在深海中部分氧化有机物的一组微生物。这些微生物属于细菌群 SAR202，它们的部分氧化是通过一种酶、Baeyer-Villiger 单加氧酶或 BVMO 进行的。
该团队进行了系统发育分析，以了解可以追溯到多远的微生物和酶的基因。他们发现，这些细菌确实有可以追溯到 GOE 之前的祖先，而且这种酶的基因可以在各种微生物物种中追踪，最早可以追溯到 GOE 之前的时代。
更重要的是，他们发现该基因的多样化，或获得该基因的物种数量，在大气经历氧合峰值的时期显着增加，包括在 GOE 的古元古代和新元古代。
“我们发现 POOM 产生基因的多样化与大气中的氧气含量之间存在一些时间相关性，”尚说。“这支持了我们的整体理论。”
为了证实这一假设，需要更多的后续行动，从实验室的实验到实地调查，以及介于两者之间的一切。通过他们的新研究，该团队在古老的案例中引入了一个新的嫌疑人，即地球大气中的含氧物质。
“提出一种新方法，并展示其合理性的证据，是第一步但也是重要的一步，”Fournier 说。“我们已经确定这是一个值得研究的理论。”
参考：“氧化代谢催化地球的氧合”，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
这项工作得到了 mTerra 催化剂基金和国家科学基金会的部分支持。