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近日，科学家通过运用机器学习技术分析 DNA 序列，成功构建了一个精细的细菌进化时间线。这一突破性研究不仅填补了细菌早期进化的空白，还揭示了细菌在约 24 亿年前地球被氧气饱和之前，就已经发展出利用氧气的能力。
地球上大约有一万亿种微生物，其中绝大多数是细菌。细菌由单个细胞组成，它们没有骨骼，也不像大型动物那样在地质记录中留下清晰的痕迹，这使得古生物学家难以在数百万年后进行研究。然而，借助机器学习，科学家们成功填补了许多细节。他们发表在《科学》杂志上的新研究还揭示了一些细菌在大约 24 亿年前地球被氧气饱和之前，就已经发展出了利用氧气的能力。
大约 45 亿年前，月球形成。这一过程非常剧烈，一个火星大小的物体与地球相撞，将其表面变成了熔岩。如果在这场灾难之前存在生命，它可能已经被摧毁。之后，所有生物的当前祖先出现了：单细胞微生物。在生命历史的前 80% 时间里，地球仅由这些微生物居住。
正如进化生物学家 Theodosius Dobzhansky 在 1973 年著名地说的那样，除了在进化的光照下，生物学中的一切都没有意义。但生命进化在地球早期历史中是如何进行的？通过比较我们今天看到的生命多样性中的 DNA 序列，可以告诉我们不同群体之间的关系。例如，人类与蘑菇的关系比与苹果树的关系更密切。同样，这样的比较可以告诉我们不同细菌群体之间的关系。
但 DNA 序列的比较只能带我们走这么远。DNA 比较并不能说明地球历史上进化事件发生的时间。在某个时间点，一个生物体繁殖了两个后代。其中一个产生了蘑菇，另一个产生了人类（以及其他许多物种）。但那个生物体究竟生活在什么时候？多少年前？地质学教会我们的一件事是，24 亿年前地球历史上存在另一个重大事件。当时，地球的大气层发生了巨大变化。一组被称为蓝细菌的细菌发明了一种将永远改变生命故事的技巧：光合作用。
从太阳中获取能量为它们的细胞提供了动力。但它也产生了一种不便的废物，氧气。在数百万年的时间里，大气中的氧气慢慢积累。在这次“大氧化事件”之前，地球几乎不含氧气，所以生命还没有准备好。事实上，对于未接触过氧气的细菌来说，氧气是一种有毒气体，因此它的释放到大气中可能导致了大规模灭绝。幸存的细菌要么进化出利用氧气的能力，要么退回到氧气无法渗透的地球深处。
大氧化事件对他们来说特别有趣，不仅因为它在生命历史中的影响，还因为它可以给出一个明确的日期。他们知道它发生在大约 24 亿年前——他们还知道大多数适应氧气的细菌必须在这个事件之后生活。他们利用这些信息为细菌的生命树添加了日期。
他们首先训练了一个人工智能（AI）模型，根据细菌的基因预测它是否与氧气共存。他们今天看到的许多细菌使用氧气，例如蓝细菌和其他生活在海洋中的细菌。但许多不使用，例如生活在肠道中的细菌。就机器学习任务而言，这项任务相当简单。氧气的化学能力显著改变了细菌的基因组，因为细胞的代谢围绕着氧气的使用组织，因此数据中有许多线索。
然后，他们应用他们的机器学习模型来预测哪些细菌在过去使用氧气。这是可能的，因为现代技术不仅允许他们估计今天看到的物种之间的关系，还可以估计每个祖先的基因组中携带的基因。
通过有效地将全球地质事件大氧化事件作为“化石”校准点，他们的方法生成了一个详细的细菌进化时间线。结合地质学、古生物学、系统发育学和机器学习的结果，他们能够显著细化细菌进化的时间。
他们的结果还揭示了一个意外的转折：一些能够利用氧气的细菌谱系在大氧化事件之前大约 9 亿年就存在了。这表明这些细菌在大气中氧气稀缺时就已经进化出了利用氧气的能力。值得注意的是，他们的研究结果表明，蓝细菌实际上在它们发展出光合作用之前就已经进化出了利用氧气的能力。
这一框架不仅重塑了他们对细菌进化历史的理解，还说明了生命的能力如何随着地球环境的变化而进化。
Ben Woodcroft，昆士兰科技大学和 Adrian A Davín，苏黎世联邦理工学院 布里斯班 / 苏黎世
