在地球历史的最初20亿年里，空气中几乎没有氧气。虽然在这一时期的后半段中，一些微生物已经在进行光合作用，但氧气还没有积累到那种影响全球生物圈的水平。
但是，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，最终达到了今天这种能维系生命呼吸的水平。这种氧气水平的飞速升高被称为大氧化事件（GOE）。究竟是什么触发了这一事件，将地球从缺氧的泥沼中拉出？这一直是科学界的一大谜团。
近日，一组研究团队提出了一项新的假说，他们认为，由于某些海洋微生物和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，它们引发了一种自放大的过程，让越来越多的氧气在大气中积累了下来。
科学家利用数学和进化分析提出了他们的假说，表明在GOE之前确实有微生物存在，并且进化出了与沉积物相互作用的能力。这是第一项将微生物和矿物的共同演化与地球的含氧量联系起来的研究。论文已于近日发表在《自然·通讯》上。
提升一个台阶
地球历史上最重要的生物地球化学变化之一就是大气的氧化。今天大气中的氧气水平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，大气保持着一种截然不同的平衡，氧气的生产者和消费者同样处于一种平衡状态，但那种方式并没有为大气留下多少额外的氧气。
如果回顾一下地球的历史，会发现似乎出现过两次明显的氧气水平跳跃，从稳定的低氧状态跳到了稳定的高氧状态，一次是在古元古代，一次是在新元古代。这些跳跃不可能是由于过量的氧气逐渐增加，一定存在某些反馈回路，带来了这种稳定性的突变。
团队猜想，这样一种正反馈回路有没有可能来自海洋中的某个过程，它能使一些有机碳无法被其消耗者利用。有机碳主要通过氧化被消耗，这通常伴随着氧气的消耗。海洋中的微生物利用氧气来分解有机物，比如沉淀在沉积物中的碎屑。会不会有一些过程，氧气的存在刺激了它的进一步积累？
研究人员建立了一个数学模型，做出了这样的预测：如果微生物仅仅拥有部分氧化有机物的能力，那么部分氧化物质（POOM）将变得“有黏性”，并与沉积物中的矿物质发生化学结合，从而保护物质不再被继续氧化。这样一来，本该为完全降解物质而消耗的氧气，将会在大气中自由积聚。团队发现，这个过程可以作为一个正反馈，提供一个天然的泵，推动大气进入一个新的高氧平衡状态。
藏在基因中
这就进一步带来了一个问题，真的存在这样一类微生物，它们的新陈代谢在海洋中产生POOM吗？
为了回答这个问题，团队通过科学文献的搜索，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，它们的部分氧化作用是通过一种酶，也就是拜耳-维利格单加氧酶（BVMO）进行的。
团队进行了系统发育分析，了解这类微生物和这种酶的基因可以追溯到多远的过去。他们发现，这类细菌确实具有可以追溯到GOE的祖先，而且这种酶的基因可以在各种微生物物种中追溯到前GOE时代。
更重要的是，这种基因的多样化，或者说是获得这种基因的物种数量，在大气经历含氧量激增的时期出现了显著增加，包括一次在GOE的古元古代，另一次在新元古代。这种时间上的关联支持了研究提出的整体理论假说。
共同演化
近年来，生物与矿物共同演化的理论在地球科学领域越来越流行。当我们探索地球过去的故事时，已经越来越少地孤立看待各种元素，而是把它们当作一个整体，它们共同谱写了地球历史的篇章。这项研究正展示了微生物、矿物和地球化学环境的相互作用是如何协同作用，从而提升了大气中氧气水平的。
提出一种新的方法，并展示其合理性的证据，是第一步，但也是重要的一步。为了证实这一假设，接下来还需要更多后续研究，从实验室的实验到实地调查都必不可少。但现在，这项新研究为地球大气含氧水平的激增带来了一位新的“嫌疑人”。
#创作团队：
编译：Takeko
排版：雯雯
#参考来源：
https://news.mit.edu/2022/great-oxygenation-event-microbes-0314
#图片来源：
封面文首图：MIT News
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