由伦敦帝国理工学院的科学家领导的研究小组，追溯了光合作用所需的关键蛋白质的进化，这可能是地球上细菌生命的起源。他们的研究结果发表在《BBA – Bioenergetics》杂志上。
来自伦敦帝国理工学院的生命科学系的首席研究员Tanai Cardona博士说：“我们之前已经表明，执行氧气生产的生物系统，即所谓的光系统II，是非常古老的，但直到现在，我们还没有能够将它放在生命历史的时间轴上。现在，我们知道，光系统II显示出通常只归于最古老的已知酶的进化模式，这对生命本身的进化至关重要。"
早期氧气的产生
光合作用将阳光转化为能量，有两种形式：一种是产生氧气，另一种是不产生氧气。产氧的形式通常被认为是后来才演化出来的，特别是在25亿年前蓝藻（或蓝绿藻）的出现。虽然一些研究表明，在这之前可能已经出现了产氧（含氧）光合作用的“口袋”，但它仍然被认为是一种创新，至少需要几十亿年才能在地球上进化。
新的研究发现，能够进行产氧光合作用中的关键过程--将水分裂成氢气和氧气--的酶实际上可能已经存在于一些最早的细菌中。地球上最早的生命证据是34亿年前，一些研究表明，最早的生命很可能早于40亿年前。
就像眼睛的进化一样，最初的含氧光合作用可能非常简单，效率也很低；由于最早的眼睛只感觉到光，所以最早的光合作用可能非常低效和缓慢。在地球上，细菌花了10多亿年才完善了导致蓝藻进化的过程，动物和植物又花了20亿年才征服了陆地。然而，氧气的产生在这么早的时候就已经存在了，这意味着在其他环境中，比如在其他星球上，向复杂生命的过渡可能需要的时间要短得多。
测量分子钟
该团队通过追踪负责分裂水的关键光合作用蛋白质的 "分子钟 "来实现他们的发现。这种方法通过观察已知的进化时刻之间的时间来估计蛋白质的进化速度，例如蓝藻或陆地植物的不同群体的出现，它们今天携带了这些蛋白质的版本。然后将计算出的进化速度向后延伸，看看这些蛋白质是什么时候开始进化的。
他们将这些光合作用蛋白的进化速度与生命进化中其他关键蛋白的进化速度进行了比较，包括那些在体内形成能量储存分子的蛋白和将DNA序列翻译成RNA的蛋白，这被认为是起源于地球上所有细胞生命的祖先之前。他们还将这一速率与已知的更近期发生的事件进行了比较，当时生命已经多种多样，蓝藻已经出现。
光合作用蛋白与最古老的酶表现出几乎相同的进化模式，时间上可以延伸到很久之前，这说明它们的进化方式是相似的。
该研究的第一作者、来自帝国理工学院生命科学系的Thomas Oliver说：“我们使用了一种名为祖先序列重建的技术来预测祖先光合蛋白的蛋白质序列。这些序列给我们提供了关于祖先光系统II如何工作的信息，我们能够表明，光系统II中氧气进化所需的许多关键成分可以追溯到酶进化的最早阶段。"
指导进化
了解这些关键的光合作用蛋白是如何进化的，不仅与寻找其他星球上的生命有关，而且可以帮助研究人员找到通过合成生物学以新的方式利用光合作用的策略。
Cardona博士正在领导这样一个项目，作为他的UKRI未来领袖奖学金的一部分，他说。“现在我们对光合作用蛋白质如何进化，适应不断变化的世界有了很好的认识，我们可以利用‘定向进化’来学习如何改变它们，以产生新型的化学反应。”
“我们可以开发出完全由光驱动的光系统，可以进行复杂的新型绿色和可持续的化学反应。”
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