<p>藍(lán)藻是單細(xì)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(xì)胞的蛋白質(zhì)等碳基分子。藍(lán)藻是地球歷史上第一個(gè)進(jìn)行光合作用的生物，并負(fù)責(zé)使早期的地球充滿氧氣，從而極大地影響了生命的進(jìn)化。</p> <p>&nbsp;</p> <p>地質(zhì)測(cè)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(yuǎn)高于目前由人為氣候變化引起的水平，這意味著古代藍(lán)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(xì)菌需要進(jìn)化出新的策略來(lái)提取二氧化碳。因此，現(xiàn)代藍(lán)藻看起來(lái)與它們的古代祖先有很大的不同，它們擁有一套復(fù)雜而脆弱的結(jié)構(gòu)，稱為二氧化碳濃縮機(jī)制(CCM)，以補(bǔ)償較低濃度的二氧化碳。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，加州理工學(xué)院的新研究揭示了CCM是如何進(jìn)化的，解決了進(jìn)化地質(zhì)生物學(xué)領(lǐng)域一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎題。這項(xiàng)新研究采用遺傳技術(shù)來(lái)模擬現(xiàn)代生物的遠(yuǎn)古祖先，使研究人員能夠系統(tǒng)地對(duì)不同版本的細(xì)菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并揭示可能的進(jìn)化途徑。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)研究是加州理工學(xué)院地質(zhì)生物學(xué)教授伍德沃德&middot;費(fèi)舍爾和加州大學(xué)伯克利分校分子生物學(xué)副教授大衛(wèi)&middot;薩維奇實(shí)驗(yàn)室和霍華德&middot;休斯醫(yī)學(xué)研究所的合作。該研究發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)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(fèi)舍爾說(shuō)。&ldquo;我們可以在實(shí)驗(yàn)室里改造現(xiàn)代生物，通過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試它的進(jìn)化軌跡。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>藍(lán)藻在一種叫做rubisco的酶的幫助下&ldquo;吃掉&rdquo;二氧化碳。簡(jiǎn)單地說(shuō)，Rubisco并不擅長(zhǎng)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(duì)藍(lán)藻來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題;rubisco可能效率不高，細(xì)菌仍然可以有足夠的二氧化碳進(jìn)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(lán)藻已經(jīng)進(jìn)化出一種CCM來(lái)將二氧化碳濃縮在細(xì)菌體內(nèi)，并提高rubisco的效率。</p> <p>&nbsp;</p> <p>進(jìn)化生物學(xué)家對(duì)CCM感到困惑，因?yàn)樗鼈兎浅Ｎ⒚?amp;mdash;&mdash;改變?yōu)镃CM各個(gè)部分編碼的20個(gè)基因中的任何一個(gè)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失效。</p> <p>&nbsp;</p> <p>加州理工學(xué)院博士后學(xué)者、這篇新論文的主要作者Avi Flamholz說(shuō):&ldquo;我們認(rèn)為進(jìn)化是逐步發(fā)生的，每個(gè)新基因都會(huì)增加一些新功能。&rdquo;&ldquo;例如，現(xiàn)代人眼的古代祖先沒(méi)有眼睛的所有功能，但可能可以探測(cè)到某種形式的光。對(duì)于CCM，沒(méi)有明確的途徑表明它們是如何進(jìn)化到今天的復(fù)雜性的。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這項(xiàng)新的研究中，研究小組開(kāi)始對(duì)CCM結(jié)構(gòu)可能的古代迭代進(jìn)行建模。為此，他們對(duì)大腸桿菌進(jìn)行了基因改造，使其代謝需要二氧化碳。由于在實(shí)驗(yàn)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(gè)模型系統(tǒng)比藍(lán)藻本身更容易處理。然后，該團(tuán)隊(duì)用構(gòu)成CCM的20個(gè)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(jìn)化軌跡。</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過(guò)這種方式，F(xiàn)lamholz和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上有幾種生物學(xué)上可行的軌跡導(dǎo)致了復(fù)雜的現(xiàn)代CCM的出現(xiàn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了全球變化和地球生物圈進(jìn)化之間無(wú)所不在的對(duì)話。&rdquo;費(fèi)舍爾說(shuō)。&ldquo;隨著二氧化碳變得越來(lái)越稀缺，藍(lán)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(biāo)題是&ldquo;細(xì)菌二氧化碳濃縮機(jī)制的進(jìn)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(xué)伯克利分校的大衛(wèi)&middot;薩維奇;勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的賈斯汀&middot;帕尼奇和史蒂文&middot;辛格。資金由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、戈登和貝蒂&middot;摩爾基金會(huì)、卡弗里基金會(huì)、施瓦茨/賴斯曼合作科學(xué)計(jì)劃、美國(guó)能源部和荷蘭皇家殼牌能源和生物科學(xué)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(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>