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地球上的微生物种类高达一万亿种，其中细菌占据了绝大多数。这些单细胞生物既无骨骼，也不像大型动物那样在地质记录中留下明显的痕迹，这使得古生物学家难以在数百万年后对其进行研究。然而，借助机器学习的力量，科学家们如今能够填补这一空白。最新发表在《科学》杂志上的研究揭示，某些细菌在大约 24 亿年前地球氧气饱和之前，就已经具备了利用氧气的能力。
大约 45 亿年前，月球以一种剧烈的方式形成。一个火星大小的天体与地球相撞，将其表面变成熔岩。如果在此之前存在生命，很可能已被这场灾难摧毁。此后，所有生物的祖先——单细胞微生物——出现了。在生命史的前 80%，地球仅由这些微生物居住。
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正如进化生物学家 Theodosius Dobzhansky 在 1973 年所言，生物学中除了进化的视角外，其他都无法解释。然而，生命的进化在地球早期历史中是如何进行的？通过比较今天生命多样性中的 DNA 序列，科学家可以了解不同群体之间的关系。例如，人类与蘑菇的关系比与苹果树更近。同样，这种比较可以揭示不同细菌群体之间的关系。
然而，DNA 序列的比较只能到此为止。它无法说明进化事件在地球历史中的具体时间。地质学告诉我们，24 亿年前地球历史上发生了另一个重大事件：大氧化事件。当时，地球大气发生了巨大变化。一群被称为蓝细菌的细菌发明了一种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动力，但也产生了一种不便的副产品——氧气。在数百万年的时间里，大气中的氧气缓慢积累。在“大氧化事件”之前，地球几乎不含氧气，因此生命并未准备好。事实上，对于未适应的细菌来说，氧气是一种有毒气体，其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，要么退避到氧气无法渗透的地球深处。
大氧化事件之所以特别有趣，不仅因为其对生命史的影响，还因为它可以给出明确的日期。我们知道它发生在约 24 亿年前，也知道大多数适应氧气的细菌必须在此事件之后生存。研究人员利用这一信息为细菌生命树添加时间层。
研究团队首先训练了一个人工智能（AI）模型，通过基因预测细菌是否与氧气共存。今天看到的许多细菌使用氧气，如蓝细菌和海洋中的其他细菌。但许多细菌不使用氧气，如生活在肠道中的细菌。就机器学习任务而言，这一任务相当直接。氧气的化学力量显著改变了细菌的基因组，因为细胞的代谢围绕氧气使用组织，因此数据中有许多线索。
然后，研究团队应用机器学习模型预测过去哪些细菌使用氧气。这是可能的，因为现代技术不仅能够估计今天看到的物种之间的关系，还能估计每个祖先基因组中携带的基因。
通过将全球性地质事件——大氧化事件——有效地作为“化石”校准点，该方法生成了细菌进化的详细时间线。结合地质学、古生物学、系统发育学和机器学习的结果，研究团队能够显著细化细菌进化的时间。
研究结果还揭示了一个令人惊讶的转折：一些能够利用氧气的细菌谱系在大氧化事件之前约 9 亿年就已存在。这表明这些细菌即使在大气氧气稀缺时也进化出了利用氧气的能力。值得注意的是，研究结果表明，蓝细菌实际上在进化出光合作用之前就具备了利用氧气的能力。
这一框架不仅重塑了人们对细菌进化历史的理解，还展示了生命的能力如何随着地球环境的变化而进化。
