香港中大團隊追溯生物演化 打破學術界廣泛認知

地球生物的演化和生命的開始，一直是學術界研究的課題。根據香港中文大學學者的研究，27億年前即使地球上只有局部氧氣，細菌已能演化出氧氣呼吸能力，打破了過往學術界的廣泛認知。

據指出，在生物與氧氣的課題上，學術界過去廣泛接受的觀點是：生物的氧氣呼吸能力僅在大氣層的氧氣到相當程度後才演化而出。

為了探討這個問題，中大生命科學學院及李福善海洋研究中心教授羅海偉領導的研究團隊，聯同中大醫學院及英國聖安德魯斯大學的研究人員，運用機器學習結合演化分析，追溯細菌首次演化出呼吸氧氣的能力。

追溯生命何時開始利用氧氣，以往的方法是直接檢測與氧氣利用的基因，但這些方法常因環境細菌的基因組不完整而失效；環境基因組通常來自複雜微生物群落的片段拼湊，本身呈碎片化，導致傳統檢測不可靠。

但這次中大研究團隊開發出一種機器學習模型，無需直接尋找與氧氣相關的基因；該模型僅以最少一組由40個基因組成的基因集進行訓練，即可識別好氧細菌（即呼吸氧氣的細菌）。

這些基因大多涉及能量代謝和壓力反應等基本細胞過程，而並非直接處理氧氣；即使應用於不完整的環境基因組，此模型仍維持高準確度。

團隊將模型應用於龐大數據庫，並將結果對照到細菌系統演化樹（family tree）上，結合分子鐘定年技術（molecular clock dating，根據遺傳物質變化速率估計物種分歧時間），追溯細菌氧氣呼吸的演化歷史。

研究團隊分析超過8萬個細菌基因組，發現好氧細菌大約在27億年前就已經出現，比地球大氣氧氣首次大幅上升的「大氧化事件」（Great Oxidation Event，GOE，約24億年前）早了2至4億年。

相關研究顯示，微生物早在地球大氣全面轉變前，就已適應局部氧氣來源，這個結論推翻了過去廣獲接受的觀點：生物的氧氣呼吸能力僅在大氣氧氣豐富後才演化而成。

羅海偉表示：「我們的分子鐘年清楚顯示，好氧細菌在大氧化事件之前已存在於局部環境中。這意味著，在數億年裡，這些早期氧氣呼吸微生物已活在『氧氣綠洲』（oases of oxygen）中，而這些氧氣很可能由早期釋氧細菌或非生物過程產生，而當時地球其餘大部分地區仍幾乎無氧」。

研究也顯示，好氧細菌最初出現後，數量一直相對稀少，直到大氧化事件期間數量才急劇擴張；第二次大規模擴張發生在約8至5.5億年前，與另一個大氣氧氣上升的重要時期「新元古代氧化事件」（Neoproterozoic Oxygenation Event，NOE）相吻合。

研究團隊認為，這項研究展示了機器學習如何預測現代微生物的特徵，並結合演化樹的分析，可靠推斷出古代先祖生命的特徵；機器學習在應用於揭示深時（deep-time）演化事件也樹立了先例，為多分子演化研究開闢道路。

這項研究成果已於美國國家科學院院刊上發表。（編輯：陳鎧妤）1150204