科学家重建30亿年前基因组化石

2010-12-21 11:02 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网12月20日(北京时间)报道,化石有助于古生物学家编写自那时起的生命进化史,但要绘制出早于寒武纪的30亿年前的生命图景,还非常困难。因为寒武纪前的软体动物细胞很少留下化石印记,但这些早期的生命却留下了一些微小的化石:DNA。麻省理工学院的生物学家利用现代基因组,在一系列基因进化规则之下重新构造了古老的微生物,并鉴别出了许多跟氧气有关的新基因,首次提出可能是氧气的出现导致了“太古代大爆发”(Archean Expansion)。

  研究人员埃里克·阿尔姆和博士生劳伦斯·戴维从100个现代基因组中找到了曾首次在地球上出现的数千个基因,并用这些基因生成了基因组化石,通过对基因组化石的研究,可以发现这些基因的出现时间和哪些微生物拥有这些基因。研究显示,该基因组化石为33亿—28亿年前这段时间所有生命的共同基因组,而在此期间,地球现存基因族系中的27%已经出现。他们将这一时期命名为“太古代大爆发”。

  研究发现,直到25亿年前,地球大气中才出现了氧气并逐渐积累,由此在“大氧化事件”中杀死了大量的厌氧生物。“大氧化事件”可能是细胞生命史中最大的悲剧事件,我们却没有它的任何生物记录。

  经过进一步分析显示,利用氧气的基因直到28亿年前“太古代大爆发”末期才出现,这更为基因化学家所设想的“大氧化事件”增加了证据。

  研究人员认为,正是一种有氧光合作用,形成了“大氧化事件”中的氧气,也形成了我们今天所呼吸的氧气。太古代时期电子转移(指细胞膜内部的生物化学过程,伴随着植物或微生物呼吸氧气的光合作用而发生,由此直接固定来自于阳光的能量。)逐渐进化,经过生命历史的几个关键阶段,包括光合作用和呼吸,最终使大量的能量被固定下来,存储在生物圈中。

  “据我们的研究结果,尚不能判断是否电子转移的进化直接造成了‘太古代大爆发’。”戴维说,“但我们推测是出现了一种让生物圈获得大量的能量的方法,从而产生了更复杂的微生物系统。”

  通过分析与基因有关的金属和分子,以及它们在长期内的演变,戴维和阿尔姆也研究了“太古代大爆发”之后微生物基因组的进化。他们发现利用氧气的基因比例越来越大,与铜和钼相关的酶也是如此,这与地质学的进化记录相一致。