氧控制假说-地球早期氧气的上升是否有助于多细胞生命的进化?

早期地球艺术家渲染

早期地球的艺术家渲染。来源:美国国家航空航天局

一项新的研究将空气从一种假说中抽离出来,该假说将早期地球的氧化作用与更大、更复杂的生物体联系在一起。佐治亚理工学院的研究人员报告了一个更复杂的效应。

长期以来,科学家们一直认为,大气中氧气的增加与大型复杂的多细胞生物的出现有直接联系。大气中氧气的增加始于25亿年前的大氧化事件。

这个理论,即“氧气控制假说”,认为这些早期多细胞生物的大小受限于氧气能扩散到它们体内的深度。该假说做出了一个在进化生物学和地球科学中都具有高度影响力的简单预测:更大的大气氧气应该总是会增加多细胞生物可以生长的体积。yabo124

这是一个很难在实验室中验证的假设。然而,佐治亚理工学院的一组研究人员找到了一种方法——使用定向进化、合成生物学和数学建模——所有这些都适用于一种被称为“雪花酵母”的简单多细胞生命形式。yabo124结果呢?关于早期地球的氧化作用和大型多细胞生物的兴起之间的关联,有了重要的新信息——这一切都与我们最早的多细胞祖先究竟有多少氧气可用有关。

“The positive effect of oxygen on the evolution of multicellularity is entirely dose-dependent — our planet’s first oxygenation would have strongly constrained, not promoted, the evolution of multicellular life,” explains G. Ozan Bozdag, research scientist in the School of Biological Sciences and the study’s lead author. “The positive effect of oxygen on multicellular size may only be realized when it reaches high levels.”

《宏观多细胞生物的氧抑制》最近发表在期刊上自然通讯.博兹达格的论文合著者包括佐治亚理工学院生物科学学院的副教授威尔·拉特克利夫;地球与大气科学学院副教授Chris Reinhard;Rozenn Pineau,生物科学学院博士生和定量生物科学跨学科研究生项目(QBioS);以及瑞典于默奥大学和新墨西哥州圣达菲研究所的助理教授埃里克·利比。

引导酵母在创纪录的时间内进化

“我们发现氧气的作用比之前想象的要复杂得多。全球氧气的早期上升实际上会强烈地限制宏观多细胞生物的进化,而不是选择更大更复杂的生物,”Ratcliff指出。

“长期以来,人们一直认为地球表面的氧化作用是有帮助的——有些人甚至说这是一个先决条件——对于大型、复杂的多细胞生物的进化,”他补充说。“但从来没有人直接测试过这一点,因为我们还没有一个模型系统,既能快速经历许多代的进化,又能在全氧条件下生长,”从厌氧条件到现代水平。

然而,研究人员可以用雪花酵母做到这一点。雪花酵母是一种简单的多细胞生物,能够快速进化变化。通过改变它们的生长环境,它们在实验室中进化了800多代雪花酵母,并选择了更大的尺寸。

结果令博兹达格感到惊讶。他说:“我很惊讶地看到,当多细胞酵母不能使用氧气时,它们的体积迅速增加了一倍,而在适度氧气环境中进化的种群没有显示出体积增加。”“即使在更长的时间尺度上,这种效应也是强大的。”

大小和含氧量对多细胞生长很重要

在该团队的研究中,“当我们的酵母没有氧气或氧气充足时,大尺寸很容易进化,但当氧气含量低时就不是这样了,”拉特克利夫说。“我们做了更多的工作来证明,这实际上是一个完全可以预测和理解的结果,因为当限制氧气时,它作为一种资源——如果细胞能够获得它,它们就会获得很大的代谢益处。”氧气稀缺时,它不能分散到生物,这是多细胞生物的进化动力小,允许他们大部分的细胞获得氧气,没有约束,当氧气根本不存在,或者当周围有足够的分散更深入组织。”

拉特克利夫说,他的团队的工作不仅挑战了氧控制假说,还帮助科学家理解为什么在大氧合事件后的数十亿年里,多细胞生物的世界里几乎没有发生明显的进化创新。拉特克利夫解释说,地质学家称这一时期为地球历史上的“无聊的十亿”——也被称为地球历史上最无聊的时期,以及地球的中世纪——这一时期大气中存在氧气,但含量很低,多细胞生物保持相对较小和简单。

博兹达格对这项研究的独特性质提出了另一种见解。他说:“以前的工作主要是通过气体扩散的物理原理来研究氧气和多细胞大小之间的相互作用。”“虽然这种推理是必要的,但在研究地球上复杂的多细胞生命的起源时,我们也需要全面考虑达尔文进化论的原则。”博兹达格补充说,最终能够通过许多代的进化来推进生物体有助于研究人员实现这一目标。

参考文献:《宏观多细胞生物的氧气抑制》,G. Ozan Bozdag, Eric Libby, Rozenn Pineau, Christopher T. Reinhard and William C. Ratcliff, 2021年5月14日,自然通讯
DOI: 10.1038 / s41467 - 021 - 23104 - 0

本研究获得国家自然科学基金资助。DEB-1845363给W.C.R, NSF批准号IOS-1656549至wc.r, NSF批准号ios - 1656849 E.L。和帕卡德对科学与工程基金会奖学金W.C.R. C.T.R.和W.C.R.承认资金来自美国宇航局天体生物学研究所。yabo124

第一个发表评论关于“氧气控制假说——地球早期氧气的上升是否有助于多细胞生命的进化?”

留下你的评论

邮箱地址可选。如果提供,您的电子邮件将不会被公布或共享。