氧气如今是地球大气中稳定存在的成分，但研究界普遍认为，这一状态直到约23亿年前才确立。该阶段被称为“大氧化事件”（GOE），被视为需氧生命演化的重要基础。麻省理工学院（MIT）研究人员最新研究提出，一些早期生命形式可能在大氧化事件发生前数亿年就已具备利用氧气的能力，相关结果或构成地球上最早的有氧呼吸证据之一。

这项研究发表在《古地理学、古气候学、古生态学》期刊。研究团队从分子层面入手，追溯一种使生物体能够利用氧气的关键酶的进化起源。研究人员指出，该酶存在于绝大多数现代需氧生命体中。通过系统分析，团队将该酶的出现时间指向中太古代——一个早于大氧化事件数亿年的地质时期。

研究还触及一个长期问题：为何氧气从最初产生到在大气中稳定积累之间存在显著时间差。科学界已知，最早的产氧生物为蓝藻，这类微生物可利用阳光和水进行光合作用并释放氧气。研究人员认为蓝藻约在29亿年前出现，意味着其在大氧化事件之前数亿年就可能开始释放氧气。对于“早期氧气去向”的解释之一是，岩石在多种地球化学反应中吸收了大量氧气；而MIT团队的研究提出，生物过程也可能在其中发挥作用。

研究人员认为，如果在蓝藻出现后不久就已有生物进化出利用氧气的酶，那么这些生物可能在蓝藻附近迅速消耗其释放的少量氧气，从而在一定程度上延缓氧气向大气中累积的进程。

论文合著者、MIT地球、大气与行星科学系博士后Fatima Husain表示，这一结果“改变了有氧呼吸的叙事”，并补充了“生命可能比此前认为的更早使用氧气”的观点。该研究的其他合著者包括MIT地球生物学副教授Gregory Fournier，以及俄勒冈大学的Haitao Shang和Stilianos Louca。

为验证上述推断，团队聚焦于血红素-铜氧还原酶（heme-copper oxygen reductase）这一与有氧呼吸密切相关的酶类。研究人员介绍，这类酶可将氧气还原为水，广泛存在于从细菌到人类的大多数需氧生物中。团队对该酶的核心部分进行分析，原因在于氧气反应发生在该区域。

在方法上，研究人员先确定相关酶的基因序列，再借助自动化搜索工具，在包含数百万物种基因组的数据库中检索相同序列。Fournier表示，难点在于该酶分布极广、数据量巨大，研究需要对数据进行采样与筛选，以获得既能代表现代生命多样性、又便于计算的序列集合。

随后，团队从数千个现代物种中提取该酶序列，并将其映射到生命进化树上，再结合科学界对物种分化时间的认识进行时间定位。研究人员利用具有化石记录的物种，将化石年龄作为进化树上的时间锚点，并设置多个时间约束，以估算该酶在不同谱系间演化与分化的大致时间。

研究最终将该酶的起源追溯至中太古代（约32亿至28亿年前）。研究团队据此推测，生物利用氧气的能力可能在这一时期首次出现，时间早于约23亿年前的大氧化事件。

研究人员认为，这一发现意味着在蓝藻进化出产氧能力后不久，其他生物可能已进化出利用氧气的机制；这些早期需氧生物若集中分布在蓝藻周边，可能通过消耗局部环境中的氧气，影响氧气向大气的净累积，从而与氧气长期未能在大气中稳定增加的现象相呼应。

（来源：MIT新闻授权转载）