《PNAS》进化论中先有鸡还是先有蛋的问题的答案？

《PNAS》A novel quinone biosynthetic pathway illuminates the evolution of aerobic metabolism

偶然的发现可能会帮助科学家们解决哪个先进化的问题：通过光合作用产生氧气的能力还是通过有氧代谢消耗氧气的能力

　　

对于生化学家来说，这是一个先出现的问题：是通过光合作用产生氧气，还是通过有氧代谢消耗氧气？

在光合作用中，藻类和植物吸收阳光，将二氧化碳和水转化为生长的燃料，并释放氧气作为副产品。另一方面，动物利用氧气将它们消耗的燃料转化为能量并排放二氧化碳，这一过程被称为有氧代谢。

那么谁先出现呢？《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一篇新论文详细介绍了一个国际研究联盟偶然发现的一种可能缺失链接的分子，这种分子可能会为进化问题提供答案。

“从一开始，我们就认为这可能与光合作用的进化和呼吸氧气的能力有关，”Felix Elling说，他是地球和行星科学系的前博士后，也是这篇论文的第一作者。

Elling当时在Ann Pearson教授的分子生物地球化学和有机地球化学实验室工作，他在寻找与有氧代谢进化问题无关的特定分子时，发现了一些不寻常的东西：利用氮的细菌亚硝基虫的一个分子发生了细微的变化，它看起来更像是植物光合作用所需的东西，而不是细菌。

“我们是在为一个完全不同的项目筛选细菌，”目前在德国基尔大学（University of Kiel）任教的Elling说。

研究人员发现的是甲基质体醌，一种叫做醌的分子类型的变体。在所有生命形式中都有发现，醌被认为存在于两种基本类型：需要氧气的好氧醌和不需要氧气的厌氧醌。

需氧醌进一步细分为两种类型——一种用于植物进行光合作用，另一种用于细菌和动物呼吸氧气。

“基本上，所有形式的生命都使用醌进行新陈代谢，”Elling解释说。在一种呼吸氧气的细菌中发现醌，“与植物进行光合作用的物质相似”，是非常不寻常的。研究人员意识到，甲基-塑醌是第三种类型，可能是两者之间缺失的一环。

这项研究揭示了所谓的大氧化事件。那一时期——大约在23亿到24亿年前——标志着蓝藻（一种藻类）开始通过光合作用产生大量氧气，使有氧代谢成为可能。

虽然这一进展似乎意味着光合作用是首先出现的，但甲基-塑醌的发现支持了另一种假设。简单地说，一些细菌已经有利用氧气的能力——甚至在蓝藻开始产生氧气之前。

换句话说，“鸡和蛋是同时出现的，”Elling说。

Elling的研究在PVK艺术与科学教授Pearson的实验室开始。Pearson强调，在光合作用产生氧气的时候，拥有一个生化处理系统是一个巨大的进步。

她说：“涉及氧气的反应非常具有破坏性，对于缺乏应对代谢副产物机制的细胞来说，可能是致命的。尽管我们认为它们是理所当然的，我们细胞中用来维持有氧代谢生活方式的化学系统实际上是相当复杂的。”

简而言之，“我们就是这样学会呼吸的，”Pearson说。“一旦你可以安全地呼吸氧气，它就为我们周围所有生命的多样化铺平了道路。”

醌结构多样化的痕迹可以在我们自己的身体中找到，包括人类线粒体中的醌与植物中的醌之间的根本区别。

Elling说：“我们认为，我们发现的是这种分子的原始或祖先形式，后来被适应为两种形式——一种在藻类和植物中具有特定功能，另一种是我们今天所拥有的线粒体形式。”

“这个分子是一个时间胶囊，”Elling说。“一个存活了20多亿年的分子活化石。”

这项研究部分由美国国家科学基金会资助。