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MIT科学家提出了一种新的机制， 氧气可能是通过这种机制首先在大气中形成的
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MIT科学家提出了一种新的机制，
氧气可能是通过这种机制首先在大气中形成的
诸平
据美国麻省理工学院（MIT）2022年3月14日提供的消息，MIT的科学家，提出了一种新的机制，氧气可能是通过这种机制首先在大气中形成的（Great Oxygenation Event: MIT Scientists’ New Hypothesis for One of the Grand Mysteries of Science）。
大约 23 亿年前，氧气开始在大气中积累，最终达到我们今天呼吸的维持生命的水平。麻省理工学院科学家提出的一项新假设提出了一种可能发生这种情况的机制。上图为古元古代生物的例子。
微生物和矿物质可能引发了地球的氧化（Microbes and Minerals May Have Set Off Earth’s Oxygenation）
科学家们提出了一种新的机制，氧气可能首先通过这种机制在大气中积累。在地球历史的头20亿年里，空气中几乎没有氧气。虽然一些微生物在这一时期的后半段进行了光合作用，但氧气的积累还没有达到足以影响全球生物圈的水平。但大约在23亿年前，这种稳定的低氧平衡发生了变化，氧气开始在大气中积累，最终达到了我们今天呼吸的维持生命的水平。这种快速输注被称为大氧合事件（Great Oxygenation Event简称GOE）。是什么触发了这一事件，并把地球从低氧的恐惧中拉了出来，这是科学上最大的谜团之一。
MIT的科学家提出的一项新假说认为，由于某些海洋微生物和海洋沉积物中的矿物质之间的相互作用，氧气最终开始在大气中积累。这些相互作用有助于防止氧气被消耗，引发了一个自我放大的过程，越来越多的氧气被提供到大气中积累。
科学家们利用数学和进化分析阐述了他们的假设，表明在GOE之前确实存在微生物，并进化出了研究人员提出的与沉积物相互作用的能力。他们的研究结果于2022年3月14日已经在《自然通讯》(Nature Communications)杂志网站发表——Haitao Shang, Daniel H. Rothman, Gregory P. Fournier. Oxidative metabolisms catalyzed Earth’s oxygenation (Open Access). Nature Communications, Published 14 March 2022, Volume 13, Article number: 1328. DOI: 10.1038/s41467-022-28996-0. https://www.nature.com/articles/s41467-022-28996-0.这项研究成果首次将微生物和矿物的共同进化与地球的氧合联系起来。
上述论文的合作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系(MIT’s Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences简称EAPS)的地球物理学教授丹尼尔·罗斯曼（Daniel H. Rothman）说：“可能地球历史上最重要的生物地球化学变化是大气的氧化作用。我们展示了微生物、矿物质和地球化学环境如何相互作用，共同增加大气中的氧气。”
这项研究的共同作者包括通讯作者尚海涛(Haitao Shang音译,前麻省理工学院的研究生)和地球、大气和行星科学系（EAPS）的地球生物学副教授格雷戈里·福涅尔(Gregory P. Fournier)。
前进了一步（A step up）
今天大气中的含氧量在氧气的产生和消耗过程中处于稳定的平衡状态。在GOE之前，大气保持着一种不同的平衡，氧气的生产者和消费者处于平衡状态，但在某种程度上没有给大气留下太多额外的氧气。
是什么把地球从一个稳定的缺氧状态推到另一个稳定的富氧状态?
格雷戈里·福涅尔指出：“如果你看看地球的历史，似乎有过两次跳跃，从低氧稳定状态到高氧稳定状态，一次在古元古代（Paleoproterozoic），一次在新元古代（Neoproterozoic）。这些跳跃不可能是因为过量氧气的逐渐增加，一定有一些反馈循环导致了这种稳定性的阶跃变化。”
他和他的同事们想知道，这种正反馈循环是否来自海洋中的一个过程，这个过程使得一些有机碳无法被消费者获取。有机碳主要通过氧化来消耗，通常伴随着氧的消耗——在这个过程中，海洋中的微生物利用氧气分解有机物，比如沉淀在沉积物中的碎屑。研究小组想知道:是否存在某种过程，氧气的存在刺激了它的进一步积累?
尚海涛和丹尼尔·罗斯曼制定了一个数学模型,提出以下预测:
如果微生物只具备部分氧化有机物的能力，那么部分氧化物质(partially-oxidized matter简称POOM)就会有效地变得粘稠，并通过化学方式与沉积物中的矿物质结合，以保护物质不被进一步氧化。原本用来完全降解材料的氧气反而会在大气中自由积聚。他们发现，这个过程可以作为一个正反馈，提供一个自然泵，将大气推向一个新的高氧平衡。
“这让我们不禁要问，是否存在一种微生物代谢能够产生POOM?” 格雷戈里·福涅尔说。
在基因之中（In the genes）
为了回答这个问题，研究小组查阅了科学文献，并确定了一组微生物，它们在今天的深海中可以部分氧化有机物。这些微生物属于细菌组SAR202，它们的部分氧化是通过一种酶，拜耳-维利格单加氧酶(Baeyer-Villiger monooxygenase简称BVMO)进行的。
该团队进行了系统发育分析（phylogenetic analysis），以了解这种微生物和这种酶的基因可以追溯到多远的时间。他们发现，这种细菌的祖先确实可以追溯到GOE时代之前，而且这种酶的基因可以追溯到GOE时代之前的各种微生物物种。
更重要的是，他们发现基因的多样化，或者获得基因的物种的数量，在大气经历氧合峰值的时候显著增加，包括一次在GOE的古元古代，一次在新元古代。
尚海涛说：“我们发现在产生POOM的基因多样化和大气中的氧气水平之间存在一些时间相关性，这支持了我们的总体理论。”
要证实这一假设，还需要更多的后续工作，从实验室实验到实地调查，以及两者之间的一切。通过他们的新研究，该团队为古老的地球大气含氧量问题提出了新的怀疑。
格雷戈里·福涅尔说:“提出一种新的方法，并为其合理性提供证据，这只是第一步，但也是重要的一步。我们认为这是一个值得研究的理论。”
这项工作得到了mTerra催化剂基金（mTerra Catalyst Fund）和美国国家科学基金会（National Science Foundation）的部分支持。
上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。
The burial of organic carbon, which prevents its remineralization via oxygen-consuming processes, is considered one of the causes of Earth’s oxygenation. Yet, higher levels of oxygen are thought to inhibit burial. Here we propose a resolution of this conundrum, wherein Earth’s initial oxygenation is favored by oxidative metabolisms generating partially oxidized organic matter (POOM), increasing burial via interaction with minerals in sediments. First, we introduce the POOM hypothesis via a mathematical argument. Second, we reconstruct the evolutionary history of one key enzyme family, flavin-dependent Baeyer–Villiger monooxygenases, that generates POOM, and show the temporal consistency of its diversification with the Proterozoic and Phanerozoic atmospheric oxygenation. Finally, we propose that the expansion of oxidative metabolisms instigated a positive feedback, which was amplified by the chemical changes to minerals on Earth’s surface. Collectively, these results suggest that Earth’s oxygenation is an autocatalytic transition induced by a combination of biological innovations and geological changes.
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