氧气促进生物复杂性进化的细节《自然》

2025年12月，布雷特·贝克（Brett Baker）带领一支科考队前往乌拉圭海岸开展研究航次，采集微生物基因组样本。在这张照片中，泰勒·史密斯（Tyler Smith）正在操控一台遥控潜水器，用于采集近岸浅海沉积物。

远古地球大气中氧气的激增，或许点燃了复杂生命崛起的火种。

多年来，科学家们对地球复杂生命的起源已有大致共识，但一个关键问题始终悬而未决：植物、动物和真菌等真核生物，被认为是由两种截然不同的微生物共生形成的——一种依赖氧气生存，另一种则被认为仅能在无氧环境中存活。让研究人员困惑的是，这两种生物最初究竟如何相遇。

得克萨斯大学奥斯汀分校（The University of Texas at Austin）的一项新研究于今日（2月18日）发表在《自然》（Nature）期刊上，为这一谜题提供了极具说服力的答案。研究人员聚焦于一类名为“阿斯加德古菌”（Asgard archaea）的微生物——它们被广泛认为是复杂生命祖先的近亲。尽管已知的大多数阿斯加德古菌栖息于深海无氧环境，但该团队发现，这类古菌的部分成员能够耐受甚至利用氧气。这一发现为“复杂生命起源于富氧环境”的理论提供了有力支撑。

“如今已知的大多数阿斯加德古菌都发现于无氧环境中，”得克萨斯大学海洋科学与整合生物学副教授布雷特·贝克解释道，“但事实证明，与真核生物亲缘关系最近的那些阿斯加德古菌，恰恰生活在有氧气的环境中，比如近岸浅海沉积物和水体中，而且它们拥有大量利用氧气的代谢途径。这表明，我们的真核生物祖先很可能也具备这些过程。”

阿斯加德古菌的扩展进化树

阿斯加德古菌的扩展进化树。同心圆环（由内至外）分别标注了预测基因组大小（兆碱基，Mb）、代谢类群、采样地点，黑色星号代表本研究新增的基因组。

氧气与大氧化事件

贝克及其团队通过研究阿斯加德古菌的基因组，旨在发现该类群的新分支，并深入了解它们的能量产生机制。最新研究结果与地球远古时期的地质证据相吻合：17亿多年前，地球大气中的氧气含量极低；随后在“大氧化事件”（Great Oxidation Event）期间，氧气水平急剧上升，逐渐接近如今的浓度。

这一环境转变后不久，化石记录中便出现了最早的真核生物证据。时间线的吻合表明，氧气水平的上升可能为更复杂细胞的进化创造了关键条件。

“作为我们祖先的部分阿斯加德古菌能够利用氧气，这与上述时间线高度契合，”贝克表示，“环境中出现氧气后，阿斯加德古菌适应了这一变化，它们发现利用氧气能获得能量优势，进而进化为真核生物。”

真核生物起源的新模型

扩展的阿斯加德古菌基因组目录，为真核生物起源（eukaryogenesis）的新模型提供了支持。

造就复杂细胞的共生关系

科学家提出，真核生物的形成源于一次关键的共生事件：一种阿斯加德古菌与一种α-变形菌（alphaproteobacterium）建立了紧密的合作关系，久而久之二者永久共生。其中，α-变形菌最终进化为线粒体——现代细胞中负责产生能量的结构。

在这项新研究中，团队大幅扩充了已知的阿斯加德古菌基因组数量。他们鉴定出多个特定谱系，包括“海姆达尔古菌”（Heimdallarchaeia），尽管这类古菌如今较为罕见，但它们与真核生物的亲缘关系似乎最为密切。

“这些阿斯加德古菌往往会在低覆盖度测序中被遗漏，”合著者、法国巴黎巴斯德研究所（Institut Pasteur）博士后研究员凯瑟琳·阿普勒（Kathryn Appler）表示，“大规模的测序工作，再结合序列分析与结构分析方法，让我们得以发现此前基因组数据不足时无法显现的规律。”

大规模DNA测序工作

该项目始于2019年阿普勒在得克萨斯大学海洋科学研究所的博士研究，当时她从海洋沉积物中提取了DNA样本。得克萨斯大学团队与合作者最终组装出超过1.3万个新的微生物基因组，这项工作整合了多次海洋科考的数据，涉及约15太字节（TB）的环境DNA分析。

从这一庞大的数据集的中，研究人员获得了数百个新的阿斯加德古菌基因组，几乎使该类群已知的遗传多样性翻倍。通过对比这些DNA中的相似性与差异，科学家构建了更详细的阿斯加德古菌生命进化树，还发现了此前未知的蛋白质类别，使这类微生物中已识别的酶类数量增加了一倍。

人工智能揭示氧依赖代谢

研究人员随后聚焦于海姆达尔古菌，分析它们产生的蛋白质，并与真核生物中参与氧气利用和能量产生的蛋白质进行对比。借助名为AlphaFold2的人工智能系统，他们预测了这些蛋白质的三维结构——因为蛋白质的功能由其结构决定。

分析结果显示，海姆达尔古菌的多种蛋白质与真核细胞中用于氧驱动、高效产能代谢的蛋白质高度相似。这种结构相似性进一步证明，复杂生命的祖先早已具备利用氧气的能力。