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地球上存在着大约一万亿种微生物，其中绝大多数是细菌。这些单细胞生物既没有骨骼，也无法像大型动物那样在地质记录中留下清晰的痕迹，这使得科学家们长期以来难以确定细菌早期进化的时间线。然而，借助机器学习技术，研究人员如今得以填补这一空白。这项新研究近日发表于《科学》杂志，揭示了细菌在大约 24 亿年前地球氧气饱和之前很久就具备了利用氧气的能力。
大约 45 亿年前，一个火星大小的天体与地球相撞，形成了月球。这一剧烈事件将地球表面化为熔岩，几乎摧毁了此前可能存在的任何生命。此后，单细胞微生物作为所有现存生物的祖先出现，并在生命历史的前 80% 时间里统治着地球。
进化生物学家 Theodosius Dobzhansky 曾于 1973 年指出，生物学中的一切只有在进化的光照下才有意义。然而，地球早期生命的进化历程究竟如何展开？通过比较现代生物的 DNA 序列，科学家们得以揭示不同群体之间的关系。例如，人类与蘑菇的亲缘关系比与苹果树更近。然而，DNA 序列的比较无法精确确定进化事件发生的时间。
地质记录显示，大约 24 亿年前，地球大气层经历了一场剧变。蓝细菌发明了光合作用，从太阳中获取能量，但这一过程也产生了氧气。在数百万年的时间里，氧气逐渐积累，最终引发了“大氧化事件”。在此之前，地球几乎不含氧气，生命尚未适应这一变化。事实上，氧气对未接触过它的细菌来说是一种有毒气体，其释放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。
大氧化事件不仅对生命历史产生了深远影响，还为科学家提供了一个明确的时间节点。研究人员利用这一事件作为“化石”校准点，通过人工智能（AI）模型预测了细菌的进化时间线。
他们首先训练了一个 AI 模型，从细菌的基因中预测其是否与氧气共存。现代细菌中，许多种类（如蓝细菌和海洋细菌）使用氧气，而另一些（如肠道细菌）则不需要。这一机器学习任务相对简单，因为氧气的化学特性显著改变了细菌的基因组，提供了丰富的线索。
随后，研究人员将这一模型应用于预测过去哪些细菌使用了氧气。现代技术不仅允许他们估计现代物种之间的关系，还可以推断每个祖先在其基因组中携带的基因。通过结合地质学、古生物学、系统发育学和机器学习的结果，他们显著细化了细菌进化的时间线。
研究结果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中氧气稀缺的情况下，也进化出了利用氧气的能力。值得注意的是，蓝细菌在进化出光合作用之前，就已经具备了利用氧气的能力。
这一发现不仅重塑了科学家对细菌进化历史的理解，还展示了生命如何随着地球环境的变化而进化。通过将全球范围的地质事件与机器学习相结合，这一研究为探索地球生命的历史提供了新的视角。
期刊信息: 《科学》
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