光合作用可能与生命本身一样古老

研究人员发现，最早的细菌具有执行光合作用关键步骤的工具， 从而改变了我们认为生命在地球上进化的方式。

这一发现还挑战了人们对生命如何在其他星球上进化的期望。 产生氧气的光合作用的演变被认为是最终出现复杂生命的关键因素。 人们认为这需要数十亿年才能演化，但是如果实际上最早的生命能够做到这一点， 那么其他行星的复杂生命可能比以前想象的要早得多。

由伦敦帝国学院的科学家领导的研究小组追溯了光合作用所需关键蛋白质的进化， 其起源可能是地球上细菌生命的起源， 研究结果已在BBA（生物能学）中发布并免费获得。

帝国理工大学生命科学系的首席研究员Tanai Cardona博士说： “在以前已经证明了进行制氧的生物系统，即光系统II，是非常古老的， 但是直到现在还无法将其列入生命历史的时间表。 现在，光系统II显示的进化模式通常仅归因于已知的最古老的酶， 而这些酶对生命本身的进化至关重要。”

光合作用将阳光转化为能量，可以有两种形式：一种产生氧气， 另一种不产生氧气。通常认为，这种产生氧气的形式进化得比较晚， 特别是大约25亿年前蓝藻或蓝绿藻的出现。

虽然一些研究表明，在这之前可能已经有了一些氧气光合作用， 但它仍然被认为是一项至少花了数十亿年才在地球上进化的创新。

这项新的研究发现，在某些早期细菌中实际上可能存在能够在 氧气光合作用中发挥关键作用的酶-将水分解为氢和氧。 关于地球生命的最早证据已有34亿年之久，一些研究表明， 最早的生命可能早于40亿年。

就像眼睛的进化一样，第一个版氧气光合作用可能非常简单且效率低下。 由于最早的眼睛只能感知到光线，因此最早的光合作用可能效率很低而且缓慢。

在地球上，细菌完善导致蓝细菌进化的过程需要十亿多年， 而动植物要征服土地则需要二十亿年。 然而，在其他环境中（例如在其他星球上），如此早就存在了氧气的产生， 因此过渡到复杂生命所需的时间要少得多。

该团队通过追踪负责水分解的关键光合作用蛋白的“分子钟”而发现了它们。 该方法通过查看已知进化时刻之间的时间来估计蛋白质的进化速率， 例如，不同种类的蓝细菌或陆地植物的出现， 这些物种现在携带着这些蛋白质的一种形式。 然后将计算出的进化速率回溯至时间，以查看蛋白质何时首次进化。

他们将这些光合作用蛋白的进化速率与生命进化过程中的 其他关键蛋白的进化速率进行了比较， 包括那些在体内形成能量存储分子的蛋白以及将DNA序列转化为RNA的蛋白， 这些蛋白质被认为是起源于地球上所有细胞生命的祖先。 他们还比较了发生率和最近发生的事件的发生率， 当时生活已经改变并且蓝细菌已经出现。

光合作用蛋白显示出与最古老的酶几乎相同的进化模式， 可以追溯到很久以前，表明它们以相似的方式进化。

帝国理工大学生命科学系的第一位研究者托马斯•奥利弗（Thomas Oliver） 表示：“我们使用了一种称为祖先序列重建的技术来预测 祖先光合蛋白的蛋白质序列。这些序列提供了行之有效的有关祖先光系统II的信息， 能够证明光系统II中氧气释放所需的许多关键成分都可以追溯到酶释放的最早阶段。”

了解这些关键的光合作用蛋白如何进化不仅与寻找其他星球上的生命有关， 而且还可以帮助研究人员找到通过合成生物学以新方式使用光合作用的策略。

卡多纳博士作为他的UKRI未来领袖奖学金的一部分，正在领导这样一个项目， 他说：“现在对光合作用蛋白质如何进化有了很好的认识， 能够适应不断变化的世界， 可以利用‘定向进化’来学习如何改变它们以产生新的化学物质。 我们可以开发出光系统，以执行完全由光驱动的复杂的新绿色和可持续化学反应。”