通過光合作用產(chǎn)生氧氣的能力 - 由植物和藻類提供的有益服務(wù)，使地球上的人類和動(dòng)物的生命成為可能 - 大約23億年前在某些類型的藍(lán)細(xì)菌中進(jìn)化了一次。就任何人都可以說，這個(gè)改變星球的生物發(fā)明從未被重復(fù)過。相反，根據(jù)內(nèi)共生理論，所有“綠色”產(chǎn)生氧氣的生物(植物和藻類)在其進(jìn)化過程中的某些時(shí)刻僅將藍(lán)細(xì)菌作為細(xì)胞器包含在細(xì)胞中。

“有氧光合作用是一種進(jìn)化奇點(diǎn)，”加州理工學(xué)院地球生物學(xué)教授伍德沃德菲舍爾說，他指的是某些生物利用太陽能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為糖作為食物的過程，其中氧氣作為副產(chǎn)品。“藍(lán)藻發(fā)明了它，然后最終成為藻類的葉綠體。植物只是一群在陸地上移動(dòng)的藻類。”

然而，與藍(lán)藻一樣的世界形象，對(duì)它們的了解相對(duì)較少。直到幾十年前，它們被分類學(xué)家稱為“藍(lán)綠藻”，盡管后來發(fā)現(xiàn)它們根本不是藻類，而是完全不同類型的生物。菲舍爾說，缺乏分類學(xué)理解使得他們的演變之謎幾乎不可能破譯。

“最長的時(shí)間，他們只是他們自己的團(tuán)體。我們沒有回答他們來自哪里，或者他們與之相關(guān)的其他生物，”菲舍爾說。“想象一下，在不了解巨猿的情況下，試圖了解一些關(guān)于人類進(jìn)化的東西。”

3月30日，來自加州理工學(xué)院和澳大利亞昆士蘭大學(xué)的Fischer及其同事在“科學(xué)”雜志上發(fā)表文章，最終充實(shí)了藍(lán)藻的家譜。他們添加了41種未培養(yǎng)微生物的基因組，這有助于確定藍(lán)藻細(xì)菌進(jìn)化過程中產(chǎn)生含氧光合作用的精確點(diǎn)。41種是所有類型的藍(lán)藻，但沒有攜帶光合作用的基因，因此它們不產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)，如藻類和植物。相反，他們消耗它。

Fischer和他的同事們發(fā)現(xiàn)，藍(lán)細(xì)菌的一個(gè)分支 - 被稱為Oxyphobacteria - 可能是第一個(gè)也是唯一一個(gè)進(jìn)化含氧光合作用的群體。他們最親近的親屬M(fèi)elainabacteria生活在動(dòng)物(包括人類)的腸道中，并且不會(huì)產(chǎn)生氧氣。雖然人們可能認(rèn)為Melainabacteria隨著時(shí)間的推移完全喪失了產(chǎn)生氧氣的能力，但是在文章中稱為Sericytochromatia之后的第二個(gè)最密切相關(guān)的藍(lán)藻也不參與含氧光合作用。

Fischer說：“這說明，Oxyphobacteria確實(shí)是唯一一個(gè)發(fā)明這種全球化學(xué)過程的人。”

41種新物種屬于Melainabacteria和Sericytochromatia，后者在本文之前尚未描述過。隨著分類學(xué)家趕上團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，這些生物的所有名稱都會(huì)發(fā)生變化。“我們知道他們?cè)谀抢铮覀冎浪麄兊幕驇臁，F(xiàn)在我們可以開始將它們放入進(jìn)化樹中，并開始努力隔離它們并研究它們的生理學(xué)和生態(tài)學(xué)，”加州理工學(xué)院Agouron博士后學(xué)者詹姆斯·亨普說。研究進(jìn)行了，科學(xué)文章的合著者。

這些發(fā)現(xiàn)歸功于新技術(shù)，該技術(shù)使研究人員能夠?qū)ι矬w的基因組進(jìn)行測序，而無需在實(shí)驗(yàn)室中隔離該生物體并培養(yǎng)大量生物體，如過去所要求的那樣。

“現(xiàn)在我們有獨(dú)立于文化的評(píng)估微生物多樣性的方法，”澳大利亞昆士蘭大學(xué)的博士后研究員，科學(xué)文章的合著者Rochelle M. Soo說。“我們可以進(jìn)入任何環(huán)境，去除DNA樣本，對(duì)其進(jìn)行測序，并恢復(fù)生活在該環(huán)境中的微生物的基因組。我們不必自己種植任何東西 - 而是讓環(huán)境完成工作并按順序排序那里。”41種新物種中的一些是原位發(fā)現(xiàn)的，例如在動(dòng)物的腸道中，而其他物種則來自其他生物學(xué)研究的數(shù)據(jù)庫 - 這些數(shù)據(jù)庫已被采樣，但從未進(jìn)行過表征和分析。

揭開光合作用及其起源的進(jìn)化神秘面紗，可以揭示從可持續(xù)能源到其他星球上存在的生命潛力的一切。

“藍(lán)藻是行星級(jí)工程師，能夠分解水。他們?cè)诘厍虮砻姘l(fā)明了最具挑戰(zhàn)性的化學(xué)物質(zhì)。我們希望能夠像制造燃料那樣毫不費(fèi)力地進(jìn)行水分解化學(xué)，這些他們想知道如何在25億年前做到這一點(diǎn)，“菲舍爾說。

接下來，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過在實(shí)驗(yàn)室中探測新細(xì)菌來了解更多有關(guān)新細(xì)菌的生態(tài)學(xué)和生理學(xué)的信息。“我們真的只是觸及了表面，”菲舍爾說。

該研究的標(biāo)題是“關(guān)于藍(lán)藻的含氧光合作用和有氧呼吸的起源”。