Science：机器学习有助于构建细菌的进化时间表

Science：A geological timescale for bacterial evolution and oxygen adaptation

　　

昆士兰大学的科学家们帮助构建了细菌进化的详细时间表，表明一些细菌在进化出通过光合作用产生氧气的能力之前很久就已经使用氧气了。

由冲绳科学技术研究所、布里斯托尔大学、昆士兰科技大学和昆士兰大学的研究人员领导的多国合作，重点研究了微生物如何对大约23.3亿年前的大氧化事件（GOE）做出反应，这次事件将地球的大气从几乎没有氧气转变为允许人类呼吸的大气。

昆士兰大学化学和分子生物科学学院的菲尔·休根霍兹教授说，由于化石证据不完整，到目前为止，建立准确的时间尺度来描述细菌在大爆炸之前、期间和之后是如何进化的一直很困难。

“大多数微生物生命没有留下直接的化石记录，这意味着化石在地球上的大部分生命历史中都缺失了，”休根霍尔茨教授说。

“但我们知道古代岩石中含有细菌生存和喂养的化学线索，我们能够通过同时分析地质和基因组记录来解决这些空白。”

“关键的创新是使用GOE作为时间边界，假设大多数细菌的需氧分支不太可能比这个事件更古老，除非化石或遗传信号另有暗示。”

研究小组首先估计了哪些基因存在于祖先的基因组中。然后，他们使用机器学习来预测每个祖先是否使用氧气来生存。

为了最好地利用化石记录，研究人员包括了线粒体（与阿尔法变形菌有关）和叶绿体（与蓝藻菌有关）的基因，这使他们能够使用早期复杂细胞的数据来更好地估计事件发生的时间。

Hugenholtz教授说：“研究结果表明，至少有3个有氧谱系出现在GOE之前——近9亿年——这表明，在氧气在大气中广泛积累之前，利用氧气的能力就已经进化出来了。”

“有证据表明，最早的有氧过渡发生在大约32亿年前的蓝藻祖先身上，这表明有氧代谢可能发生在含氧光合作用进化之前。”

该研究的主要作者Adrián Arellano博士Davín表示，将基因组数据、化石和地球地球化学历史结合起来的方法，将尖端技术结合在一起，阐明了进化的时间表。

大卫博士说：“通过使用机器学习来预测细胞功能，我们不仅可以预测祖先细菌的有氧代谢，还可以开始利用不完整的基因组来试图预测其他可能影响世界的特征，比如某些细菌是否对抗生素有抗药性。”

这项研究发表在《科学》杂志上。