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地球早期的含氧量增加是否有助于多细胞生命的进化?

摘要: 一项新研究将早期地球的含氧量与更大、更复杂的生物体联系起来的假说推翻了。佐治亚理工学院的研究人员报告了一个更复杂的影响。科学家们长期以来一直认为,大气中氧气的增加(始于25亿年前的大氧化事件 ...
地球早期的含氧量增加是否有助于多细胞生命的进化?
地球早期的含氧量增加是否有助于多细胞生命的进化?





一项新研究将早期地球的含氧量与更大、更复杂的生物体联系起来的假说推翻了。佐治亚理工学院的研究人员报告了一个更复杂的影响。科学家们长期以来一直认为,大气中氧气的增加(始于25亿年前的大氧化事件)与大型复杂多细胞生物的兴起之间有直接的联系。

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限于氧气能够扩散到它们体内的深度。该假说提出了一个简单的预测,在进化生物学和地球科学中都有很大的影响。更多的大气氧气应该总是增加多细胞生物可以生长的大小。

事实证明,这一假设很难在实验室中得到验证。然而,佐治亚理工学院的一个研究小组找到了一种方法--使用定向进化、合成生物学和数学建模--所有这些都被用于一个简单的多细胞生命体,称为 "雪花酵母"。结果是什么?关于早期地球的含氧量和大型多细胞生物的兴起之间的相关性的重要新信息--而且这都是关于我们最早的一些多细胞祖先究竟有多少氧气可用。

“氧气对多细胞进化的积极影响完全是剂量依赖性的--我们星球的第一次含氧量会强烈制约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和该研究的主要作者G. Ozan Bozdag解释说。“氧气对多细胞大小的积极影响可能只有在它达到高水平时才能实现。”

"我们表明,氧气的影响比以前想象的要复杂。乔治亚理工学院的研究人员 Will Ratcliff指出:“事实上,全球氧气的早期增加应该强烈制约宏观多细胞的进化,而不是选择更大和更复杂的生物体。”

他补充说:“人们长期以来一直认为,地球表面的含氧量对大型复杂多细胞生物的进化是有帮助的--有些人甚至说这是一个先决条件。但是从来没有人直接测试过这一点,因为我们没有一个模型系统,它既能快速经历很多代的进化,又能在全部氧气条件下生长。”

然而,研究人员能够用 "雪花酵母"做到这一点, "雪花酵母"是能够快速进化的简单多细胞生物。通过改变它们的生长环境,他们在实验室里对 "雪花酵母"进行了800多代的进化,选择了更大的尺寸。

结果令 Bozdag感到惊讶。他说:“我惊讶地看到,当多细胞酵母不能使用氧气时,它们的尺寸迅速翻倍,而在适度含氧环境中进化的种群则完全没有显示出尺寸的增加。”他说:“这种效应是强大的--甚至在更长的时间尺度上。”

该团队在研究中指出:"当我们的酵母没有氧气或有大量的氧气时,大尺寸很容易进化,但当氧气存在于低水平时就不容易。"Ratcliff说。"我们做了更多的工作,以表明这实际上是一个完全可预测和可理解的结果,即氧气在限制时,作为一种资源--如果细胞可以获得它,它们就会获得很大的代谢利益。当氧气稀缺时,它不能很好地扩散到生物体内,因此多细胞生物有一种进化的动机,即允许它们的大部分细胞获得氧气--当氧气根本不存在时,或者当周围有足够的氧气可以更深入地扩散到组织中时,这种限制就不存在了。"

Ratcliff表示,他的研究小组的工作不仅挑战了氧气控制假说,而且还帮助科学家理解为什么在大氧化事件之后的十亿年里,多细胞生物世界中很少发生明显的进化创新。Ratcliff解释说,地质学家将这一时期称为地球历史上的 "无聊的十亿年"--也被称为地球历史上最沉闷的时期,以及地球的中世纪--这一时期的氧气存在于大气中,但水平很低,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补充了另一个见解。他说:“以前的工作主要通过气体扩散的物理原理研究氧气和多细胞大小之间的相互作用。虽然这种推理是必不可少的,但在研究我们星球上复杂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包容性的考虑。”Bozdag补充说,最终能够通过许多代的进化来推进生物体的发展,帮助研究人员实现了这一点。


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2021-10-27 20:09
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