加州理工大学最新Science报道

氧气——动物生存离不开它,燃料燃烧缺不了它,一切氧化过程都消耗氧气。植物和藻类通过光合作用源源不断地为我们排放氧气,补充氧气消耗。

植物和藻类生产氧气的能力大约产生于23亿年前的一次生物进化。据科学家们所知,这场全球化的生物的进化仅发生过一次。随后,内共生理论解释了其他植物和藻类的光合作用进化:植物们在进化过程中都不约而同地将蓝藻收入体内变成了自己的细胞器。也就是说,蓝藻寄生在所有“绿色”产氧生物体内。

Ficher实验室拍摄的蓝藻光学显微镜图片

Ficher实验室拍摄的蓝藻光学显微镜图片

光合作用是一个进化的奇点”加州理工学院(Caltech)地球生物学教授Woodward Fischer所指的的是某些生物利用来自阳光的能量将二氧化碳和水转化成糖以为生的过程,氧气是这个过程的副产品。“蓝藻发明了这项技能,进化出了属于藻类的叶绿体。花草树木不过是在陆地上行走的藻类。”

然而,像是一块未被探索之地,蓝藻的秘密总是鲜为人知。例如,最近一二十年前,分类学家还称它们为“蓝绿藻类(blue-green algae)”。后来才发现它根本不属于藻类,而是一种全新的生物有机体。“连分类都还搞不清楚,更别提破解它们的进化之谜”Fischer说道。

“很长一段时间,它们都是特有的种群,没有人知道它们从何而来,或是有没有其他亲戚”Fischer说,“想象一下,如果不了解类人猿,将如何了解人类进化。”

Fischer和其Caltech的同事们以及澳大利亚昆士兰大学的合作伙伴们,终于在3月30发表了一篇Science文章,向我们揭示了蓝藻的进化族谱。

他们新增了41个从未开发过的微生物基因组,进而标记了蓝藻出现光合作用的精确位点。这41种微生物都属于蓝藻,但是不含光合作用基因,因此也不能像其他藻类和植物一样制造有机物,反而依靠消耗有机物生存。

Fischer和同事发现了一个蓝藻的独立分支,名叫 Oxyphobacteria,它可能是第一个以及唯一一个能够进化出产氧光合作用的蓝藻。它最近的亲属叫Melainabacteria,喜欢生活在动物(包括人类)消化道,并不产氧。过去曾有人认为Melainabacteria可能是逐渐才丧失的产氧能力。但是本文发现,第二接近蓝藻的亲属叫Sericytochromatia也不能参与光合作用。

Fischer说,这明确表明Oxyphobacteria真有可能是塑造了地球的这种化学工艺的唯一发明人

41个新添物种都被归类在Melainabacteria 和Sericytochromatia下面。特别是Sericytochromatia,在此之前从未被描述过。等分类学家阅读本篇文章后,这些物种将会被重新命名。

“知道了它们的存在,又知道了 它们的基因配置。现在我们可以把它们放到进化树上,开始着手分离纯化研究它们的生理和生态功能了”本文的共同作者,Caltech的博后学者James Hemp说。

报道在Science的这些新发现,得益于新的技术。无需分离纯化,也无需扩增培养,新一代测序技术使科研工作者们用更少的时间,更少的样品,精准地获得大规模的基因组测序数据,带领我们一步步揭开生命之谜。

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