大約25億年前，我們所在的星球經歷了史上最大的變化。由地質記錄可知，分子氧突然變成了可在任何地方自由使用。比如在含有氧化鐵的帶狀鐵地層中，大氧合事件（GOE）的證據就清晰可見，並在後續推動了耗氧生物的不斷進化。不過對於愛較真的研究人員來說，還是想知道這種轉變是突然發生，亦或更早就有生物體在較低水平的游離氧環境中生存。

帶狀鐵沉積示例（圖自：Weizmann Institute of Science）

來自魏茨曼科學研究所的生物分子科學系教授Dan Tawfik 解釋稱，大氧合事件（GOE）的年代本身無可爭議，因為分子氧是由光合微生物產生的。

在化學機理上，它能夠利用光能將水分解為質子（氫離子）和氧氣。此過程中產生的電子，被其用於形成儲能化合物（糖分）。而作為副產物的氧氣，開始被陸續釋放到周圍環境中。

不過目前尚未得到解答的是，氧氣的產生，是否與GOE 事件一致？或者甚至在大氧合事件之前，生物體都已經獲得了氧氣？

Dan Tawfik 與研究生Jagoda Jabłońska

爭論的一種一方認為，生物未能在GOE 事件之前獲得分子氧，理由是此前大氣和海洋環境，都將把光合作用釋放的任何氧氣都立即用於發生化學反應。

辯論的另一方則表示，光合作用微生物產生的某些氧氣，可能已經游離了足夠長的時間，以至於非光合作用生物體甚至仍可在GOE 大事件之前就將分子氧奪過去了。

此外在上述兩種觀點之間，還有一些人提出了略有不同的推測，比如大氣氧合作用形成了“綠洲”或短暫的“波動”。

研究配圖- 1：O ₂酶出現的年代

研究生Jagoda Jabłońska 認為，這件事可以通過回溯蛋白質的進化而給出答案。通過追踪各種蛋白質是如何、以及何時發生的進化，他們就有證據表明早期生物是如何開始加工氧氣的。

類似的系統樹，曾被廣泛用於揭示物種、人種、以及蛋白質家族的歷史。不過Jagoda Jabłońska 決定效仿這一策略，來繪製氧氣酶的進化路線圖。

為開展研究，她整理了大約130 個已知在細菌和古細菌中產生或使用氧氣的酶家族。這些細菌早在太古代（Archean Eon）就已存在，介於生命出現（約40 億年前）和大氧合事件之間。

接著她又在其中挑選了大約一半的細菌，並在相關文獻中仔細分析了其中36 種的進化史，儘管這麼做並非易事。

研究配圖- 2：LUOA 篩選過程示例

Dan Tawfik 指出，基因可能在某些生物中丟失，並給人留下它們像是在後續才進化的。微生物有在水平層面上共享基因，結果擾亂了系統發育樹，導致高估了某些酶的年齡，後者是必須得到糾正的。

最終描繪的系統發育樹表明，在大約30 億年前（GOE 大事件的10 億年前），就已經有了耗氧酶的爆發。如果氧氣的使用與GOE 吻合，那麼耗氧酶應該會在後續進化。

科學家進一步研究了這個時間框架，發現爆發並非發生在大氣氧的吸收上，而是細菌離開海洋、並開始在陸地上定殖的時間，且一些耗氧酶甚至能歐追溯到更遠。

Daniel Tawfik 解釋稱：這項研究證實了這樣一個假設，即在GOE 大事件之前，氧氣就一直持續地存在於生物圈中。儘管達到GOE 的高水平需要漫長的時間，但那時氧氣已在生物圈中廣泛存在。