秦 濤，姜瑩英，張紅雨

(1.山東理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255091；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070)

氧氣起源及對(duì)生命進(jìn)化的促進(jìn)作用研究進(jìn)展

秦 濤1，姜瑩英1，張紅雨2

(1.山東理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255091；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070)

在生物與地球化學(xué)演化史上，氧氣的出現(xiàn)是最重要的歷史事件，對(duì)生命進(jìn)化產(chǎn)生了非常深遠(yuǎn)的影響.然而氧氣起源時(shí)間及促進(jìn)生命進(jìn)化的分子機(jī)制等許多問題尚屬未知，文章就該方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述.

氧氣；生命進(jìn)化；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

三四十億年前，原始細(xì)胞只能在缺氧環(huán)境中進(jìn)行生命活動(dòng)[1]，此后經(jīng)過幾億年的進(jìn)化，其中一些細(xì)胞中產(chǎn)生了色素，可以進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧氣，氧氣的出現(xiàn)是生命進(jìn)化史上一個(gè)重要里程碑[2]，生物的代謝方式發(fā)生了改變，推動(dòng)了生命進(jìn)化的歷程.隨著氧氣濃度的積累，當(dāng)大氣中氧含量達(dá)到現(xiàn)在大氣氧含量（PAL）的1%時(shí)，原始的厭氧生物逐漸讓位給好氧生物[3].在此后生命進(jìn)化過程中，氧氣仍然發(fā)揮了極為重要的作用[4-6].氧對(duì)生命進(jìn)化的影響非常復(fù)雜，長(zhǎng)期以來引起了不同學(xué)科背景的眾多學(xué)者的研究興趣，尤其是氧氣的起源時(shí)間及促進(jìn)生命進(jìn)化的分子機(jī)制等問題，一直是科學(xué)界的研究熱點(diǎn).

1 氧氣與生命的關(guān)系

1.1 氧氣的起源時(shí)間

研究地球大氣里氧氣何時(shí)產(chǎn)生，無論對(duì)生命的起源與進(jìn)化還是對(duì)地球歷史的探索都有重要的意義.迄今為止，大部分研究都是采用地質(zhì)化學(xué)方法對(duì)化石、礦物沉積物等分析，得到的結(jié)果卻大不相同，關(guān)于氧氣的起源時(shí)間從24億年前到34.6億年前均有文獻(xiàn)報(bào)道.

Canfield等認(rèn)為氧氣最早在24億年前出現(xiàn)于地球大氣層中，太古代（約38～25億年前）地球大氣中即使存在氧氣，也是極微量的.他們發(fā)現(xiàn)太古時(shí)期的巖石標(biāo)本很少有同位素的分餾分離，嗜硫酸鹽的厭氧細(xì)菌在太古代數(shù)量并不多，因此大氣層中氧氣濃度可能也較低[7].Anbar在對(duì)澳大利亞西部提取的巖芯的研究中發(fā)現(xiàn)了早期氧的蹤跡，最早跡象在約23億年到24億年前就已存在，在此之前，地球大氣層被甲烷和氨統(tǒng)治[8].Kato等在澳大利亞西部的皮爾巴拉克拉頓地區(qū)在低于現(xiàn)在地表面約200米的地方發(fā)現(xiàn)了豐富的太古宙玄武巖赤鐵礦，平行剪切帶中含有黃鐵礦顆粒，而黃鐵礦的形成是早于赤鐵礦的，使用錸-鋨同位素分析方法測(cè)得黃鐵礦出現(xiàn)在27.6億年前[9].另外，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員分析了1000個(gè)現(xiàn)存的關(guān)鍵基因，結(jié)果顯示大約27%的基因形成于33億年前到28億年前之間，而利用氧氣的基因直到28億年前才出現(xiàn)[10].而Ohmoto和他的研究小組在澳大利亞西部的皮爾巴拉克拉頓地區(qū)的沉積巖中，發(fā)現(xiàn)了被氧化的赤鐵礦的紅色標(biāo)記深深的嵌入具有34.6億年的歷史巖層中，揭示了光合作用更早的起源時(shí)間[11].Konhauser也認(rèn)為赤鐵礦晶體為34.6億年前深海中光合微生物產(chǎn)生氧氣提供了新的證據(jù)[12].

1.2 氧氣的積累方式

氧氣出現(xiàn)后是如何在早期地球大氣中積累的，也引起了很多學(xué)者的興趣.Catling等用地球化學(xué)機(jī)理解釋了這一點(diǎn)，他們指出當(dāng)微生物在分解有機(jī)物質(zhì)時(shí)，光合生物產(chǎn)生的氫被轉(zhuǎn)化為甲烷，而甲烷在紫外線作用下分解成O2、CO2和H2，由于H2逃逸到太空，因此氧氣在大氣層中積累下來[13].而Konhauser等在分析水成巖時(shí)發(fā)現(xiàn)38億年前早期海洋中鎳含量較高，但在27～25億年前卻急劇下降，依賴鎳產(chǎn)生甲烷的細(xì)菌死亡，甲烷生成減少，氧氣因甲烷減少而受到的破壞減小，產(chǎn)氧微生物增多，因而氧氣濃度升高[14].

科學(xué)界普遍認(rèn)為，直到大約25億年前，氧氣才開始在地球大氣層中不斷積累，并可能在大氧化事件中扼殺了大量的無氧生命體.Parnell等人在蘇格蘭西北部高地發(fā)現(xiàn)了一些含遠(yuǎn)古細(xì)菌遺跡的化石，對(duì)其中的化學(xué)成分進(jìn)行分析，表明這些細(xì)菌在約12億年前就已在進(jìn)行較為復(fù)雜的氧化反應(yīng)，說明這個(gè)時(shí)期氧含量已達(dá)到一個(gè)較高水平[15].而這次氧氣濃度的增加，推動(dòng)了簡(jiǎn)單生物向復(fù)雜生物的進(jìn)化，最終形成地球上現(xiàn)有的各種生物[15].

2 氧氣與進(jìn)化的關(guān)系

2.1 氧氣濃度與生命進(jìn)化

氧氣的出現(xiàn)及其濃度的變化對(duì)生物進(jìn)化產(chǎn)生了重大的影響[5,16-17].氧氣的濃度從4億年前的20%左右突然升到了3億年前的30%，隨后在2.4億年前又降到了12%，使得大批動(dòng)物從高緯度遷徙到低緯度，受環(huán)境的改變及空間、食物的限制，很多生物滅絕[18].根據(jù)Berner等人對(duì)古氣候的研究推斷，空氣中氧氣的含量決定了昆蟲形體的大小，高濃度氧氣環(huán)境下，大體型昆蟲有著進(jìn)化上的優(yōu)勢(shì)[19].Falkowski的研究指出，2.05億年前大氣中氧氣含量約增加了一倍，此外還發(fā)現(xiàn)在侏羅紀(jì)和始新世初期氧氣含量相對(duì)增加也快，這表明氧可能推動(dòng)了鳥類和哺乳類多樣化的過程[6].

我們的研究發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度的升高還誘導(dǎo)酶產(chǎn)生了新的結(jié)構(gòu)折疊類型（fold），fold是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組建層次中最為保守的，可以作為分子化石推測(cè)進(jìn)化史.我們通過大規(guī)模的系統(tǒng)發(fā)生基因組分析，構(gòu)建了fold進(jìn)化樹，將其中有化石記錄的進(jìn)化事件的時(shí)間標(biāo)記在對(duì)應(yīng)的fold上，根據(jù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)化速率保守的原則[20]，標(biāo)定了蛋白質(zhì)fold分子鐘（圖1）[21].隨后，把有氧代謝酶獨(dú)有的fold對(duì)應(yīng)到此分子鐘里，推斷出有氧代謝產(chǎn)生于29億年前，而從有氧代謝（0.1% PAL）的出現(xiàn)到開始有氧呼吸（1% PAL）歷時(shí)了4億年的積累[21].有氧代謝帶來的生物化學(xué)變化為研究氧氣和進(jìn)化之間的關(guān)系提供了新的思路.由于酶功能與結(jié)構(gòu)息息相關(guān)[20]，有氧酶中新出現(xiàn)的重要的功能在它們的結(jié)構(gòu)中也會(huì)有所體現(xiàn).因此，從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度探究有氧代謝的進(jìn)化具有很強(qiáng)的新穎性.

圖1 fold分子鐘及氧氣相關(guān)進(jìn)化事件

解釋氧氣促進(jìn)生命進(jìn)化的分子機(jī)制是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，最直接的解釋就是有氧呼吸產(chǎn)生的ATP能提供比無氧呼吸多16倍的能量[22]，有利于復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生.較復(fù)雜的解釋是建立在細(xì)胞信息傳遞上的，真核細(xì)胞復(fù)雜的信息傳遞不僅依靠跨膜蛋白而且還與膜脂有關(guān)，膜脂中膽固醇的合成需要氧氣的參與[23]，大氣中較高的氧氣濃度有利于固醇的生成，從而促進(jìn)了真核細(xì)胞的起源，這為我們解釋原核生物到真核生物進(jìn)化與氧氣關(guān)系的分子機(jī)制提供了線索[24].Acquisti等發(fā)現(xiàn)了各種生物將氧吸入跨膜蛋白中所發(fā)生的系統(tǒng)變化[25]，真核生物的膜蛋白和腔室往往比原核生物含有更多的氧，認(rèn)為富含氧的氨基酸很容易在還原性大氣中降解.然而這一假設(shè)被另一項(xiàng)關(guān)于氧氣對(duì)蛋白質(zhì)組進(jìn)化的影響研究所質(zhì)疑[26]，認(rèn)為大部分氨基酸中的氧不是氧化性的，而是還原性的，因?yàn)镺H和COOH都是電子供體，所以這些基團(tuán)在還原性氣體中較穩(wěn)定[27].最近，Romand和Segrè通過計(jì)算機(jī)模擬無氧環(huán)境和有氧環(huán)境下的代謝，發(fā)現(xiàn)氧氣出現(xiàn)后，代謝網(wǎng)絡(luò)的膨脹和連通性都極劇增強(qiáng)[28]，此研究為我們從化學(xué)信息學(xué)的角度解釋分子機(jī)制提供了依據(jù).

2.2 氧氣對(duì)代謝進(jìn)化的影響

通過分析有氧和無氧代謝物的結(jié)構(gòu)分布，我們發(fā)現(xiàn)有氧代謝物主要包括固醇類、雙萜類、多酚類、生物堿和大環(huán)內(nèi)酯類等次級(jí)代謝物，在一些高級(jí)的生命活動(dòng)中發(fā)揮了重要作用，如跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和抗氧化等.有氧代謝產(chǎn)生了很多無氧時(shí)期不存在的結(jié)構(gòu)新穎的代謝物，如磺酸鹽和亞硫酸鹽等.因此氧氣有利于生物體探索更廣闊化學(xué)空間，對(duì)代謝物進(jìn)化產(chǎn)生了重要的影響.

此外，我們還發(fā)現(xiàn)氧氣與代謝途徑進(jìn)化關(guān)系密切.依賴氧的角鯊烯環(huán)氧化作用和接連發(fā)生的有氧反應(yīng)導(dǎo)致固醇或類固醇的生成，并且有氧代謝物具有較強(qiáng)的疏水性和較合適的體積大小，從而比無氧代謝物更容易穿過細(xì)胞膜作為核受體配體在真核生物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮功能，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，97.5%的核信號(hào)分子是依賴氧氣合成的[27]，因此我們推斷氧氣通過促進(jìn)核受體配體的合成促進(jìn)核信號(hào)系統(tǒng)的進(jìn)化，從而推動(dòng)了高等真核生物的進(jìn)化.

氧氣的出現(xiàn)對(duì)酶結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了重要的影響.我們首先比較了有氧酶和無氧酶輔因子使用的輔因子，發(fā)現(xiàn)有氧酶較少使用ATP作為輔因子，這是由于有氧代謝可以產(chǎn)生更多的能量[29]；有氧酶中NADP(H)、FAD和抗壞血酸鹽比NAD(H)使用更普遍；有氧酶使用了更多的鐵（包含血紅素）、銅和鉬（P ＜ 0.01）等金屬輔因子[29]，有化學(xué)和生物證據(jù)都表明銅和鉬在無氧環(huán)境中生物利用度極低，直到氧氣出現(xiàn)后才被生物利用[29-31].然后比較了有氧酶和無氧酶催化位點(diǎn)的使用，結(jié)果表明有氧酶使用了更多的非極性氨基酸殘基（如Trp和Ile等）（P＜ 0.01），無氧酶則使用了更多的極性氨基酸殘基（如Asp、Glu、Lys和Arg等）（P ＜ 0.01）.最后，我們比較了有氧酶和無氧酶的拓?fù)鋸?fù)雜性，很明顯的看出有氧酶的序列更長(zhǎng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜，模塊化程度更高[29].

3 結(jié)束語

我們主要從氧氣起源、積累等角度探討了氧氣與生命進(jìn)化的關(guān)系，解釋了氧氣促進(jìn)代謝進(jìn)化的分子機(jī)制，推測(cè)了氧氣相關(guān)事件的年代，對(duì)研究氧氣與生命進(jìn)化的關(guān)系有一定的指導(dǎo)意義.建立的蛋白質(zhì)fold分子鐘不僅可以推測(cè)出較為準(zhǔn)確的地球氧化事件，還可以推測(cè)進(jìn)化史上缺乏化石的進(jìn)化事件，為生命起源與進(jìn)化的探索提供了很好的研究方法.

[1] Baudouin-Cornu P, Thomas D.Oxygen at life’s boundaries[J].Nature, 2007, 445(7123): 35-36.

[2] Knoll A H.The geological consequences of evolution[J].Geobiology, 2003, 1(1): 3-14.

[3] Blankenship R, Raymond J.Biosynthetic pathways, gene replacement and the antiquity of life[J].Geobiology, 2004, 2(4):199-203.

[4] Knoll A H, Carroll S B.Early animal evolution: emerging views from comparative biology and geology[J].Science, 1999,284(5423): 2129-2137.

[5] Falkowski P G, Isozaki Y.Geology: The story of O2[J].Science,2008, 322(5901): 540-542.

[6] Falkowski P G, Katz M E, Milligan A J, et al.The rise of oxygen over the past 205 million years and the evolution of large placental mammals[J].Science, 2005, 309(5744): 2202-2204.

[7] Canfield D E, Habicht K S, Thamdrup B.The Archean sulfur cycle and the early history of atmospheric oxygen[J].Science,2000, 288(5466): 658-661.

[8] Anbar A D, Duan Y, Lyons T W, et al.A whiff of oxygen before the great oxidation event[J].Science, 2007, 317(5846): 1903-1906.

[9] Kato Y, Suzuki K, Nakamura K, et al.Hematite formation by oxygenated groundwater more than 2.76 billion years ago[J].Earth Planet Sci Lett, 2009, 278(1-2): 40-49.

[10] David L A, Alm E J.Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion[J].Nature，2011, 469(7328):93-96.

[11] Hoashi M, Bevacqua D C, Otake T, et al.Primary haematite formation in an oxygenated sea 3.46 billion years ago[J].Nature Geosci, 2009, 2(4): 301-306.

[12] Konhauser K.Biogeochemistry: Deepening the early oxygen debate[J].Nature Geosci, 2009, 2(4): 241-242.

[13] Catling D C, Zahnle K J, McKay C.Biogenic methane,hydrogen escape, and the irreversible oxidation of early Earth[J].Science, 2001, 293(5531): 839-843.

[14] Konhauser K O, Pecoits E, Lalonde S V, et al.Oceanic nickel depletion and a methanogen famine before the Great Oxidation Event[J].Nature, 2009, 458(7239): 750-753.

[15] Parnell J, Boyce A J, Mark D, et al.Early oxygenation of the terrestrial environment during the Mesoproterozoic[J].Nature,2010, 468(7321): 290-293.

[16] Payne J L, Boyer A G, Brown J H, et al.Two-phase increase in the maximum size of life over 3.5 billion years reflects biological innovation and environmental opportunity[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2009, 106(1): 24-27.

[17] Dahl T W, Hammarlund E U, Anbar A D, et al.Devonian rise in atmospheric oxygen correlated to the radiations of terrestrial plants and large predatory fish[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2010, 107(42): 17911-17915.

[18] Huey R B, Ward P D.Hypoxia, global warming, and terrestrial late Permian extinctions[J].Science, 2005,308(5720): 398-401.

[19] Berner R A., VandenBrooks J M., Ward P D.Oxygen and evolution[J].Science, 316(5824): 557-558.

[10] Caetano-Anollés G, Wang M, Caetano-Anollés D, et al.The origin, evolution and structure of the protein world[J].Biochem J, 2009, 417(3): 621-637.

[21] Wang M, Jiang Y Y, Kim K M, et al.A universal molecular clock of protein folds and its power in tracing the early history of aerobic metabolism and planet oxygenation[J].Mol Biol Evol, 2011, 28(1):567-582.

[22] Catling D C, Glein C R, Zahnle K J, et al.Why O2 is required by complex life on habitable planets and the concept of planetary “oxygenation time”[J].Astrobiology, 2005, 5(3):415-438.

[23] Summons R E, Bradley A S, Jahnke L L, et al.Steroids,triterpenoids and molecular oxygen[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2006, 361(1470): 951-968.

[24] Chen L L, Wang G Z, Zhang H Y.Sterol biosynthesis and prokaryotes-to-eukaryotes evolution[J].Biochem Biophys Res Commun, 2007, 363(4): 885-888.

[25] Acquisti C, Kleffe J, Collins S.Oxygen content of transmembrane proteins over macroevolutionary time scales[J].Nature, 2007, 445(7123): 47-52.

[26] Vieira-Silva S, Rocha E P.An assessment of the impacts of molecular oxygen on the evolution of proteomes[J].Mol Biol Evol, 2008, 25(9):1931-1942.

[27] Jiang Y Y, Kong D X, Qin T, et al.How does oxygen rise drive evolution? Clues from oxygen-dependent biosynthesis of nuclear receptor ligands[J].Biochem Biophys Res Commun,2010, 391(2): 1158-1160.

[28] Raymond J, Segrè D.The effect of oxygen on biochemical networks and the evolution of complex life[J].Science, 2006,311(5768): 1764-1767.

[29] 姜瑩英.氧氣對(duì)代謝進(jìn)化的影響：化學(xué)信息學(xué)與生物信息學(xué)的綜合研究[D].淄博: 山東理工大學(xué), 2010.

[30] Saito M A, Sigman D M, Morel F M M.The bioinorganic chemistry of the ancient ocean: the co-evolution of cyanobacterial metal requirements and biogeochemical cycles at the Archean-Proterozoic boundary[J].Inorg Chim Acta,2003, 356: 308-318.

[31] Williams R J, Fraústo Da Silva J J.Evolution was chemically constrained[J].J Theor Biol, 2003, 220(3): 323-343.

The Origin of Oxygen and Its Role in Evolution of Life

QIN Tao1, JIANG Ying-Ying1, ZHANG Hong-Yu2
(1.College of Life Science, Shandong University of Technology, Zibo 255091, China;2.College of Life Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

Accumulating biological and geological evidence indicates that oxygen rise, the most critical event, has had a great impact on biological evolution.However, the time of oxygen rise and the mechanisms underlying the evolution driven by oxygen rise still remain elusive.This article attempts to present some most recent findings in this area.

oxygen; evolution of life; protein structure

O613.3

A

1008-9128（2011）04-0009-04

2011-04-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30870520）

秦濤（1985-）, 男, 研究生.E-mail:qinyuetai1012@163.com.

張紅雨, 男，教授.E-mail: zhy630@mail.hzau.edu.cn

[責(zé)任編輯 張燦邦]