<p>藍藻是單細胞生物，從光中獲取能量，利用光合作用將大氣中的二氧化碳(CO2)和液態(tài)水(H2O)轉(zhuǎn)化為可呼吸的氧氣和構(gòu)成細胞的蛋白質(zhì)等碳基分子。藍藻是地球歷史上第一個進行光合作用的生物，并負責使早期的地球充滿氧氣，從而極大地影響了生命的進化。</p> <p>&nbsp;</p> <p>地質(zhì)測量表明，30億年前早期地球的大氣中很可能含有豐富的二氧化碳，遠高于目前由人為氣候變化引起的水平，這意味著古代藍藻有足夠的&ldquo;食物&rdquo;。但在地球數(shù)十億年的歷史中，大氣中的二氧化碳濃度一直在下降，因此為了生存，這些細菌需要進化出新的策略來提取二氧化碳。因此，現(xiàn)代藍藻看起來與它們的古代祖先有很大的不同，它們擁有一套復雜而脆弱的結(jié)構(gòu)，稱為二氧化碳濃縮機制(CCM)，以補償較低濃度的二氧化碳。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，加州理工學院的新研究揭示了CCM是如何進化的，解決了進化地質(zhì)生物學領(lǐng)域一個長期存在的謎題。這項新研究采用遺傳技術(shù)來模擬現(xiàn)代生物的遠古祖先，使研究人員能夠系統(tǒng)地對不同版本的細菌進行實驗，并揭示可能的進化途徑。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究是加州理工學院地質(zhì)生物學教授伍德沃德&middot;費舍爾和加州大學伯克利分校分子生物學副教授大衛(wèi)&middot;薩維奇實驗室和霍華德&middot;休斯醫(yī)學研究所的合作。該研究發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這是研究地球歷史的一種新興方式。&rdquo;費舍爾說。&ldquo;我們可以在實驗室里改造現(xiàn)代生物，通過嚴格的實驗室實驗來測試它的進化軌跡。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>藍藻在一種叫做rubisco的酶的幫助下&ldquo;吃掉&rdquo;二氧化碳。簡單地說，Rubisco并不擅長它的工作&mdash;&mdash;它反應(yīng)緩慢，傾向于與其他分子而不是二氧化碳反應(yīng)。在高濃度二氧化碳的環(huán)境中，這對藍藻來說不是問題;rubisco可能效率不高，細菌仍然可以有足夠的二氧化碳進行代謝。但由于大氣中的二氧化碳水平在數(shù)十億年里下降了很多，現(xiàn)代藍藻已經(jīng)進化出一種CCM來將二氧化碳濃縮在細菌體內(nèi)，并提高rubisco的效率。</p> <p>&nbsp;</p> <p>進化生物學家對CCM感到困惑，因為它們非常微妙&mdash;&mdash;改變?yōu)镃CM各個部分編碼的20個基因中的任何一個都會導致整個結(jié)構(gòu)失效。</p> <p>&nbsp;</p> <p>加州理工學院博士后學者、這篇新論文的主要作者Avi Flamholz說:&ldquo;我們認為進化是逐步發(fā)生的，每個新基因都會增加一些新功能。&rdquo;&ldquo;例如，現(xiàn)代人眼的古代祖先沒有眼睛的所有功能，但可能可以探測到某種形式的光。對于CCM，沒有明確的途徑表明它們是如何進化到今天的復雜性的。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這項新的研究中，研究小組開始對CCM結(jié)構(gòu)可能的古代迭代進行建模。為此，他們對大腸桿菌進行了基因改造，使其代謝需要二氧化碳。由于在實驗室中已經(jīng)建立了用于大腸桿菌的遺傳工具，因此使用這個模型系統(tǒng)比藍藻本身更容易處理。然后，該團隊用構(gòu)成CCM的20個基因改造了大腸桿菌菌株，并系統(tǒng)地添加、刪除和調(diào)整基因，以模擬CCM結(jié)構(gòu)的所有可能的進化軌跡。</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過這種方式，F(xiàn)lamholz和他的團隊發(fā)現(xiàn)，實際上有幾種生物學上可行的軌跡導致了復雜的現(xiàn)代CCM的出現(xiàn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這些結(jié)果強調(diào)了全球變化和地球生物圈進化之間無所不在的對話。&rdquo;費舍爾說。&ldquo;隨著二氧化碳變得越來越稀缺，藍藻能夠創(chuàng)新出一種非凡的生化解決方案。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這篇論文的標題是&ldquo;細菌二氧化碳濃縮機制的進化軌跡&rdquo;。除了Flamholz和Fischer，合著者還有Eli Dugan, John Desmarais, Luke Oltrogge。</p> <p>&nbsp;</p> <p>加州大學伯克利分校的大衛(wèi)&middot;薩維奇;勞倫斯伯克利國家實驗室的賈斯汀&middot;帕尼奇和史蒂文&middot;辛格。資金由國家科學基金會、戈登和貝蒂&middot;摩爾基金會、卡弗里基金會、施瓦茨/賴斯曼合作科學計劃、美國能源部和荷蘭皇家殼牌能源和生物科學研究所提供。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>