地球早期氧气的出现是否帮助了多细胞生命的进化?

佐治亚理工学院的研究人员发现，地球表面的氧化作用是大型、复杂的多细胞生物进化的关键。如果细胞能够获得氧气，它们的新陈代谢就会得到很大的好处。然而，当氧气匮乏时，它不能扩散到生物体内很远的地方，所以多细胞生物的进化动机是变小，以确保它们的大部分细胞仍然能够获得氧气。

　　

 

   

图片:早期地球的艺术家渲染图

来源:美国国家航空航天局

长期以来，科学家们一直认为，大气中氧气含量的上升与大型、复杂的多细胞生物的兴起有直接联系。大气中氧气含量的上升始于25亿年前的大氧化事件。

这一理论，即“氧气控制假说”，表明这些早期多细胞生物的大小受到氧气扩散到它们身体的深度的限制。这个假设做出了一个简单的预测，在进化生物学和地球科学领域都有很大的影响:大气中更多的氧气应该总是会增加多细胞生物可以生长的大小。

这是一个很难在实验室中验证的假设。然而，佐治亚理工学院的一个研究小组发现了一种方法——使用定向进化、合成生物学和数学建模——所有这些都用于一种简单的多细胞生命形式，称为“雪花酵母”。结果呢?关于早期地球的氧化作用和大型多细胞生物的兴起之间的关系，有了重要的新信息——这一切都是关于我们早期的多细胞祖先究竟能获得多少氧气。

“氧气对多细胞生物进化的积极影响完全取决于剂量——我们星球上的第一次氧气作用将强烈地限制，而不是促进多细胞生命的进化，”生物科学学院的研究科学家、该研究的主要作者G. Ozan Bozdag解释说。“氧气对多细胞大小的积极影响可能只有当它达到高水平时才能实现。”

“宏观多细胞的氧抑制”发表在2021年5月14日的《自然通讯》杂志上。博兹达格论文的合著者包括乔治亚理工学院的生物科学学院副教授威尔·拉特克利夫;Chris Reinhard，地球和大气科学学院副教授;Rozenn Pineau，生物科学学院和定量生物科学跨学科研究生项目(QBioS)博士生;他是瑞典Umea大学和新墨西哥州圣达菲研究所的助理教授埃里克·利比。

引导酵母在创纪录的时间内进化

“我们证明了氧气的作用比以前想象的更复杂。事实上，全球氧气的早期上升应该强烈限制宏观多细胞生物的进化，而不是选择更大更复杂的生物，”拉特克利夫指出。

他补充说:“长期以来，人们一直认为地球表面的氧化作用对大型、复杂的多细胞生物的进化是有帮助的——有些人甚至说这是先决条件。”“但没有人直接测试过这个，因为我们还没有一个模型系统，既能快速经历许多代进化，又能在各种氧气条件下生长，”从无氧环境到现代水平。

研究人员能够做到这一点，然而，雪花酵母，简单的多细胞生物能够快速进化变化。通过改变它们的生长环境，它们在实验室里进化了800多代雪花酵母，并选择了更大的尺寸。

结果令Bozdag感到惊讶。他说:“我很惊讶地看到，当多细胞酵母不能使用氧气时，它们的体积很快翻了一番，而在中等含氧环境中进化的群体的体积根本没有增加。”“这种效应是强大的——即使是在更长的时间跨度内。”

大小——和含氧量——对多细胞生长至关重要

在该团队的研究中，“当我们的酵母没有氧气或氧气充足时，大尺寸很容易进化，但当氧气含量较低时就不会，”拉特克利夫说。“我们做了很多工作来证明，这实际上是一个完全可以预测和理解的结果，氧气在有限的情况下作为一种资源——如果细胞能够获得它，它们就能获得很大的新陈代谢益处。”氧气稀缺时,它不能分散到生物,这是多细胞生物的进化动力小,允许他们大部分的细胞获得氧气,没有约束,当氧气根本不存在,或者当周围有足够的分散更深入组织。”

拉特克利夫说，他的团队的工作不仅挑战了氧气控制假说，也帮助科学理解了为什么在大氧化事件后的数十亿年里，多细胞生物的世界里几乎没有发生明显的进化创新。拉特克利夫解释说，地质学家称这一时期为地球历史上的“无聊的十亿”——也被称为地球历史上最无聊的时期，以及地球的中世纪——在这一时期，大气中存在氧气，但含量较低，多细胞生物保持相对较小和简单。

Bozdag对这项研究的独特性质增加了另一个见解。他说:“以前的工作主要是通过气体扩散的物理原理来研究氧气和多细胞大小之间的相互作用。”“虽然这种推理是必要的，但在研究地球上复杂的多细胞生命的起源时，我们也需要对达尔文进化论的原则进行全面考虑。”Bozdag补充说，最终能够通过许多代的进化来推进生物体，帮助研究人员实现了这一点。

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 Bozdag, G.O., Libby, E., Pineau, R. et al., "Oxygen suppression of macroscopic multicellularity." (Nat Commun 12, 2838 2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23104-0