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地球上大约存在一万亿种微生物，其中绝大多数是细菌。这些单细胞生物没有骨骼，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对其进行研究。因此，科学家们长期以来一直难以建立细菌早期进化的时间线。然而，借助机器学习技术，研究人员已经能够填补许多细节。今天发表在《科学》杂志上的一项新研究揭示，一些细菌在大约 24 亿年前地球充满氧气之前，就已经具备了利用氧气的能力。
大约 42 亿年前，月球形成的过程极为剧烈。一个火星大小的天体与地球相撞，将其表面变成了熔岩。如果在这场灾难之前存在生命，它可能已经被彻底摧毁。此后，所有生物的祖先——单细胞微生物——出现了。在生命历史的前 80%，地球上只有这些微生物。
通过比较当今生命多样性的 DNA 序列，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的关系更密切。同样，这样的比较也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。它并不能告诉我们进化事件在地球历史上发生的时间。在某个时间点，一个生物体繁殖了两个后代，其中一个进化成了蘑菇，另一个进化成了人类（以及其他许多物种）。
地质学告诉我们，地球历史上还发生过另一个重大事件，即 24 亿年前的大氧化事件。当时，地球的大气层发生了巨大变化。一种叫做蓝细菌的细菌发明了一种技巧，永远改变了生命的故事：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，大气中的氧气慢慢积累。在大氧化事件之前，地球几乎不含氧气，因此生命还没有准备好。事实上，对于未适应的细菌来说，氧气是一种有毒气体，因此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，要么退回到氧气无法渗透的地球深处。
大氧化事件之所以特别有趣，不仅因为其对生命历史的影响，还因为它有一个明确的日期。研究人员知道它发生在大约 24 亿年前，并且也知道大多数适应氧气的细菌必须在这一事件之后生存。他们利用这些信息为细菌的生命树添加了时间层。
研究人员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。如今看到的许多细菌都使用氧气，例如蓝细菌和其他生活在海洋中的细菌。但许多细菌并不使用氧气，例如生活在人类肠道中的细菌。
就机器学习任务而言，这一任务相当简单。氧气的化学作用显著改变了细菌的基因组，因为细胞的代谢围绕氧气使用进行组织，因此数据中有许多线索。随后，研究人员应用机器学习模型来预测过去哪些细菌使用了氧气。这是可能的，因为现代技术不仅可以估计当今物种之间的关系，还可以估计每个祖先在其基因组中携带的基因。
通过将全球性的地质事件——大氧化事件——有效地作为“化石”校准点，研究人员的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，研究人员能够显著完善细菌进化的时间。
研究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 亿年就已经存在。这表明，即使在大气中氧气稀缺的情况下，这些细菌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已经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。
