生命的历史远比我们想象的更复杂而深远。在地球早期的无氧环境中，微生物如何演化？氧气出现这一划时代事件，如何改变了整个生命王国的命运？2025年4月4日，匈牙利布达佩斯罗兰大学Gergely J. Szöllősi团队在Science 在线发表题为“A geological timescale for bacterial evolution and oxygen adaptation”的研究论文，该研究通过巧妙融合地质化学记录与基因大数据，为地球生命早期演化史提供了前所未有的时间坐标。研究表明，细菌的“最后共同祖先”可能生活在超过40亿年前，而好氧细菌的出现，远比大氧化事件早了近9亿年。

核心谜题：如何为生命之树标定时间？

微生物主导了地球生命史的绝大部分，但因其微小难以形成化石，其早期演化的确切时间尺度一直迷雾重重。特别是，细菌不同类群究竟何时分化、何时获得需氧能力，传统方法难以精确追溯。研究团队找到了一个独特的时间锚点：24.3-23.3亿年前的大氧化事件。他们假设，能利用氧气的好氧细菌，其大规模分化与扩散应与大气氧含量上升的事件在时间上相关联。以此地质事件为校准，他们构建了全新的、更可靠的分子钟模型。

创新方法：用地质大事件校准基因进化史

为了绘制这张全新的生命演化时间图谱，研究团队开发了一种创新的“贝叶斯分子钟”方法。他们将细菌系统发育树与好氧代谢能力的进化路径进行整合，并利用机器学习模型，从现代细菌的不完整基因组中，高精度推断其祖先究竟是好氧还是厌氧。通过这种方法，他们识别出细菌演化史上84次从厌氧转向需氧的关键转变。

采用综合方法来研究细菌的进化过程，并重建氧气适应的历史过程（图源自Science ）

颠覆性发现：氧气出现前的“准备”与之后的“爆发”

分析结果带来了三个关键发现，改写了我们对生命演化与地球环境互动关系的理解。

[1]早期的时间坐标：分析显示，细菌的最后共同祖先可能存在于44亿至39亿年前的冥古宙到太古宙早期。而细菌的主要门类分化发生在25亿至18亿年前的元古代，与地球地质环境的剧烈变化期基本吻合。

[2]颠覆性的“先行者”：最令人意外的是，尽管大多数细菌向需氧的转变发生在大氧化事件之后，但至少有三个转变事件明确早于这一时期。这意味着，在大气中氧气普遍累积之前，某些细菌谱系可能早已进化出利用氧气的能力。这暗示早期地球的某些“氧气绿洲”（如产氧蓝藻菌落周围）可能驱动了有氧呼吸的早期演化，而这种早期的好氧细菌甚至可能反过来促进了蓝藻产氧光合作用的进化。

[3]氧气引发的“大提速”：研究发现，大氧化事件之后，好氧细菌类群的进化速率显著加快，超过了厌氧类群。这强有力地证明了大气氧含量的上升是驱动地球生命复杂化和多样化的一次根本性选择压力。

科学意义：架起连接基因、生命与地球历史的桥梁

这项研究不仅为微生物的演化时间表提供了更可靠的刻度，更重要的是，它建立了一个强大的分析框架，将地球的化学历史与生命的基因进化史紧密结合。它揭示，生命并非被动适应环境，而是可能主动参与并推动了地球环境的重大变革。这一方法也为未来研究其他关键代谢特征（如产甲烷、固氮等）的演化历史，开辟了新的道路。通过追溯基因中的时光密码，我们正在一步步重写生命与星球共同演化的史诗篇章。

参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp1853