A timeline for evolution of metabolism in early microbes

在人类行走于大地、甚至在第一批森林或我们所熟知的海洋出现之前很久，这个星球是由微观生命塑造的。这些早期的微生物不仅仅是居民；它们更是我们世界化学结构的建筑师。通过它们为了生存而进行的化学反应，它们释放了气体，分解了岩石，并最终使大气层充满了氧气，为随后所有复杂生命的出现奠定了基础。科学家们长期以来一直试图拼凑这些微小生物的历史，特别是它们何时发展出了执行不同类型代谢（即能量转化为生命的化学过程）的能力。然而，证据往往是模糊的。数十亿年前的岩石有时可以暗示这些古老的活动，但记录中充满了空白和歧义。一些代谢过程在石头中完全不留痕迹，这让研究人员感到困惑：最初的微生物究竟是在何时以及如何学会了进食、呼吸和生长的？

为了解开这个谜题，一位研究人员转向了现代生命的数字档案。通过分析数百种现代细菌和古菌的遗传蓝图，他们构建了一个全新的代谢进化时间线。他们的研究表明，这些维持生命的化学过程并非随着时间的推移随机出现，而是分成了三个明显的浪潮。第一波浪潮发生在34亿多年前，涉及简单的、无氧的能量生成方式。第二波浪潮始于约32亿年前，引入了更复杂的进程，包括那些最终导致氧气利用的过程。最后一波浪潮始于大约14亿年前，带来了在较少生物体中发现的专门化代谢形式。这一通过结合计算机模型与生命历史构建出的时间线，与古老岩石中最可靠的日期高度吻合，为地球如何变得宜居提供了更清晰的图景。

研究人员首先通过收集700种不同现代微生物的遗传数据开始工作。他们将这些基因组视为一种历史记录，假设现今生物体中存在的基因是继承自其古代祖先的。通过使用强大的计算机程序，他们重建了这些祖先的遗传功能，有效地通过逆向推导来预测最早期的生命形式拥有哪些基因。随后，他们将两种不同的计算工具应用于这些重建的基因。其中一个工具使用基于现代生物训练的机器学习方法，根据基因组成来推测古代微生物是否能执行特定任务。第二个工具则将基因与已知的化学网络进行比对，以观察特定代谢途径所需的机制是否存在。通过在整个进化树上运行这些工具，他们能够精准定位特定特征（例如发酵食物或呼吸硫化合物的能力）首次出现的时刻。

结果揭示了一个清晰的三个进化浪潮模式。最早的浪潮始于34亿多年前，由厌氧生命主导——即那些在无氧环境下茁壮成长的生物。这些早期微生物依靠发酵和硫化合物的呼吸来产生能量。这一时期与岩石记录中第一个被广泛接受的微生物化学证据相吻合。第二波浪潮始于约32亿年前，标志着向好氧多样化的显著转变。这一时代见证了有氧呼吸的出现，即利用氧气获取能量的能力，随后紧跟着有氧生长的兴起。它还包括了其他复杂特征的出现，如固氮作用和产氧光合作用，正是后者最终使大气层充满了我们今天呼吸的氧气。第三波浪潮出现在较晚的约14亿年前，其特点是专业化。在此期间，微生物开发出了高度特异性的代谢能力，例如呼吸硒或氯酸盐的能力，这些能力存在于较少的谱系中，代表了进化史上更为精细的阶段。

研究人员通过将他们生成的计算机时间线与源自地质记录的独立日期进行对比，测试了其可靠性。他们发现，他们的预测与来自古老岩石中最保守、最受广泛认可的日期之间存在强有致的一致性。例如，他们的模型预测了基于硫的呼吸作用和有氧生长的兴起时间，这与最古老且可靠的地质化学证据相匹配。这种一致性表明，他们的方法是稳健的，且该时间线不仅仅是计算机模型的产物，而是反映了真实的的历史事件。研究还强调，某些在岩石记录中不留痕迹的代谢形式，现在可以通过这种遗传学方法进行定年。这使得科学家能够以以往不可能实现的细节水平，填补地球历史中的空白。

尽管该时间线提供了一个强大的框架，但研究人员也承认它并非最终定论。他们的模型依赖于现存的酶，无法解释那些在没有酶的情况下发生的代谢过程，也无法解释那些已经灭绝的生物所进行的代谢。这一局限性或许解释了为什么他们的时间线显示某些过程的出现时间比一些最具争议性的最古老地质化学暗示要稍晚一些。例如，模型将固氮作用的起源置于比某些岩石证据稍晚的位置，不过当研究人员调整了关于“完整代谢系统”的判定标准后，该日期便向地质记录靠拢。尽管存在这些细微差别，这项研究仍成功地调和了不同的证据链，将化石记录、岩石的化学历史与生命的遗传历史统一了起来。它提供了一个全面的视角，展示了微生物代谢是如何进化的，从而将一个寂静的、化学的世界转变为我们今天所居住的充满活力的、富含氧气的星球。