【大公报讯】记者郭如佳报道：过去观点广泛认为，生物的氧气呼吸能力仅在大气氧气丰富后才演化而出，但香港中文大学（中大）生命科学学院李福善海洋科学研究中心教授罗海伟领导的研究团队发现，好氧细菌（即呼吸氧气的细菌）大约在27亿年前已经出现，比地球大气氧气首次大幅上升的“大氧化事件”早了2亿至4亿年。该发现推翻过去认知，证实微生物早在地球大气全面转变前，就已适应局部氧气来源。

追溯生命何时开始利用氧气，向来是科学界的一大挑战。过往做法是依赖直接检测与氧气利用的基因，却常因环境细菌的基因组不完整而失效。“环境基因组”通常来自复杂微生物群落的片段拼凑，并且本身呈碎片化，导致传统检测不可靠。

分析逾8万细菌基因组溯源

为解决此难题，罗海伟领导的研究团队，联同中大医学院及英国圣安德鲁斯大学的研究人员，开发出一种机器学习（AI分支）模型，无需直接寻找与氧气相关的基因。该模型仅以最少一组由40个基因组成的基因集进行训练，即可识别好氧细菌。这些基因大多涉及能量代谢和压力反应等基本细胞过程，并非直接处理氧气，即使应用于不完整的环境基因组，模型仍维持高准确度。

团队将模型用于研究分析超过8万个细菌基因组，并将结果对照到细菌系统演化树上，结合根据遗传物质变化速率估计物种分歧时间的“分子鐘定年技术”，追溯细菌氧气呼吸的演化历史。研究指出，好氧细菌最初出现后，数量一直相对稀少，直到大氧化事件期间数量才急剧扩张。第二次大规模扩张发生在约8亿至5.5亿年前，与另一个大气氧气上升的重要时期“新元古代氧化事件”相脗合。罗海伟表示，这意味着在数亿年里，这些早期氧气呼吸微生物已活在“氧气绿洲”中，而这些氧气很可能由早期释氧细菌或非生物过程产生，当时地球其余大部分地区仍几乎无氧。

该研究展示了机器学习如何预测现代微生物的特征，并与演化树分析结合，可靠推断古代先祖的生命特征。团队为机器学习应用于揭示深时（deep-time）演化事件树立先例，为多分子演化研究开辟道路。