30亿年前地球早期的大气中可能富含二氧化碳 意味着古蓝藻有足够的“食物”

细菌CO2浓缩机制演变的机制和潜在途径。（A） 今天，亿年意味有足细菌CCM通过三个主要特征的前地球早期协同作用发挥作用——（i）细胞膜上的无机碳（Ci）转运蛋白，以及（ii）适当形成的大气羧基结构（iii）将rubisco与碳酸酐酶（CA）共包封。Ci摄取导致细胞内HCO3浓度高，中可着古远高于与外部环境的含氧化碳平衡。升高的蓝藻HCO3−通过仅位于那里的CA活性转化为高的羧基CO2浓度，这促进rubisco的食物羧化。（B） 缺少编码基本CCM成分的亿年意味有足基因的突变体在升高的CO2中生长，但在环境空气中无法生长，前地球早期如本文所示，大气蛋白细菌化学自养菌H.neapolitanus中的中可着古α-羧基体突变。缺乏羧基体CA（ΔcsosCA）或羧基体形成所需的含氧化碳非结构化蛋白质（Δcsos 2）的菌株未能在环境空气中生长，但在5%CO2（>108个菌落形成单位/ml）中生长健壮（C）我们认为CCM由三种功能组成，蓝藻超出rubisco本身：CA酶（品红色）、食物Ci转运蛋白（深棕色）、，以及用CA（浅棕色）包封rubisco的羧基体。如果CO2水平足够高，原始的CO2固定细菌就不需要CCM。我们试图在实验上区分六个连续轨迹（虚线箭头），在这些轨迹中可以获得CCM分量。资料来源：《美国国家科学院院刊》（2022）。DOI:10.1073/pnas.2210539119
（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（作者：California Institute of Technology）：蓝藻是一种单细胞生物，通过光合作用将大气中的二氧化碳（CO2）和液态水（H2O）转化为可呼吸的氧气和构成细胞的蛋白质等碳基分子，从而从光中获取能量。蓝细菌是地球历史上最早进行光合作用的生物，负责向早期地球注入氧气，从而显著影响生命的进化。
地质测量表明，30亿年前地球早期的大气中可能富含二氧化碳，远远高于人类气候变化导致的当前水平，这意味着古蓝藻有足够的“食物”。
但在地球数十亿年的历史中，大气中的二氧化碳浓度已经下降，因此为了生存，这些细菌需要发展新的策略来提取二氧化碳。因此，现代蓝藻看起来与它们的远古祖先截然不同，它们拥有一套复杂而脆弱的结构，称为CO2浓缩机制（CCM），以补偿较低浓度的CO2。
现在，加州理工学院的新研究揭示了CCM是如何进化的，解决了进化地球生物学领域的一个长期谜团。这项新的研究利用遗传技术来模拟现代生物的远古祖先，使研究人员能够系统地对不同版本的细菌进行实验，并揭示可能的进化途径。
这项研究是加州理工大学地球生物学教授伍德沃德·费舍尔和加州大学伯克利分校分子生物学副教授大卫·萨维奇以及霍华德·休斯医学研究所实验室之间的合作。它发表在《美国国家科学院院刊》上。
费舍尔说：“这是研究地球历史的一种新兴方式。”。“我们可以在实验室中复制现代生物，让我们通过严格的实验室实验来测试其进化轨迹。”

来源：Flamholz等人2022
蓝藻在一种名为rubisco的酶的帮助下“吃掉”二氧化碳。简单地说，Rubisco不太擅长它的工作——它的反应很慢，而且倾向于与其他分子而不是二氧化碳发生反应。当蓝藻处于高浓度CO2环境中时，这不是问题；rubisco可能效率低下，细菌仍有足够的CO2进行代谢。但是，由于大气中的二氧化碳水平在数十亿年中下降了很多，现代蓝藻已经进化出一种CCM，将二氧化碳集中在细菌体内，并提高rubisco的效率。
CCM让进化生物学家感到困惑，因为它们如此微妙地改变了编码CCM各个部分的20个基因中的任何一个，都会导致整个结构失效。
“我们认为进化是循序渐进的，每一个新基因都会增加一些新功能，”加州理工学院博士后学者、这篇新论文的主要作者阿维·弗兰霍尔兹说。“例如，现代人类眼睛的古老前身并不具备眼睛的所有功能，但可能能够以某种形式检测光。有了CCM，就没有明确的途径表明它们是如何进化到现在的复杂性的。”
在这项新的研究中，团队着手对CCM结构可能的古代迭代进行建模。为此，他们对大肠杆菌进行了基因改造，使其代谢需要二氧化碳。因为在实验室里已经建立了与大肠杆菌一起工作的基因工具，所以与蓝藻本身相比，使用这种模型系统更容易。然后，该团队利用构成CCM的20个基因改造大肠杆菌菌株，并系统地添加、删除和调整基因，以模拟CCM结构的所有可能的进化轨迹。
通过这种方式，Flamholz和他的团队发现，事实上有几种生物学上可行的轨迹导致了复杂的现代CCM的出现。
费希尔说：“这些结果突出了全球变化和地球生物圈演化之间无所不在的对话。”。“随着二氧化碳越来越稀少，蓝藻能够创新出一种卓越的生化解决方案。”