大約5.8億年前，地球開始進(jìn)入“寒武紀(jì)”,。寒武紀(jì)是現(xiàn)代生命體的開始階段，也是生命形式的大爆發(fā)期,，此時(shí)期動(dòng)物群以具有堅(jiān)硬外殼,、多門類的海生無脊椎動(dòng)物為其主要特點(diǎn),，其中三葉蟲最為常見,，故又常被稱為三葉蟲時(shí)代。古生物學(xué)家通過這一時(shí)期的化石認(rèn)識(shí)了這些的生命形式的進(jìn)化歷程,。不過,，他們?cè)诿枥L30億年前到寒武紀(jì)這段時(shí)間的生命進(jìn)化情況卻面臨了挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@段時(shí)間內(nèi),，幾乎沒有軟體動(dòng)物的化石被保存下來,。不過，被忽視的一件事情是這一時(shí)期的生命體的“化石”卻一直保留至今,。它就是DNA,。
所有生物體基因組都源于祖先，來自麻省理工學(xué)院（MIT）的計(jì)算生物學(xué)家認(rèn)為,，他們可以利用現(xiàn)代的生物的基因組重建古生物的演變史,。結(jié)合不斷完善的基因組文庫(kù)信息,，他們利用數(shù)學(xué)模型模擬了基因的演變，他們發(fā)現(xiàn),，基因家族是可以不斷繼承,、延續(xù)的；基因可以調(diào)換,，而物種間的基因也是可以橫向轉(zhuǎn)移的,；在同一個(gè)基因組中，基因可以不斷的復(fù)制,；基因也可能丟失,。
科學(xué)家們追溯了100種現(xiàn)代生物的基因組中數(shù)以千計(jì)的基因最初在地球上亮相的情景，他們選擇的這些基因組“化石”不僅說明了生物體中基因的演變,，也證明了古生物中含有這些基因,。該工作所選擇基因組都?xì)v經(jīng)了從33億年前到28億年前的一個(gè)時(shí)期，其中現(xiàn)有的27%基因家族都是那段時(shí)期所保留下來的,。
美國(guó)麻省理工學(xué)院的Eric Alm教授和哈佛大學(xué)Lawrence David教授聯(lián)合發(fā)表了此項(xiàng)重要工作,。他們把那段時(shí)期稱為太古代膨脹期（the Archean Expansion）。
我們知道氧氣是在約25億年前在開始出現(xiàn)并積累的,，氧氣的出現(xiàn)可能扼殺了大量的厭氧生命體,。Alm和David認(rèn)為如此多的新基因的產(chǎn)生與氧氣的出現(xiàn)有關(guān)，氧氣的出現(xiàn)可能是太古代膨脹期產(chǎn)生的原因,。
“大氧化事件可能是細(xì)胞的生命歷史上最嚴(yán)重的災(zāi)難性事件,，不過，我們并沒有關(guān)于此時(shí)期的任何生物學(xué)紀(jì)錄”Alm 說道,。
然而,，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，直到28億年前,，也就是太古代膨脹期末期,，利用氧氣的基因出現(xiàn)了，這點(diǎn)與大氧化事件出現(xiàn)的時(shí)間是一致的,。
電子傳遞是植物和一些微生物光合作用中將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的一個(gè)必需的過程,，太古代膨脹期，電子傳遞就已經(jīng)在生命演化歷程的幾個(gè)關(guān)鍵階段出現(xiàn),，其中包括了光合作用和呼吸作用,。Alm和David測(cè)算電子傳遞及與細(xì)胞膜內(nèi)電子傳遞相關(guān)生物化學(xué)過程出現(xiàn)的時(shí)間，而光合作用中的光反應(yīng)被認(rèn)為與大氧化事件有緊密的關(guān)聯(lián),。
圖片來源：Physorg.com
“我們的結(jié)論并沒有認(rèn)為電子傳遞的發(fā)展是否直接導(dǎo)致了太古代膨脹期的發(fā)生,，”David說。“不過,，我們可以推測(cè)到更多的能量?jī)?chǔ)備改善了生物圈,，并進(jìn)一步導(dǎo)致了更為復(fù)雜的微生物系統(tǒng),。”
David和Alm繼續(xù)研究了太古代膨脹期生物基因組是如何進(jìn)化的，觀察了與這些基因相關(guān)的金屬和分子的演化過程,。他們發(fā)現(xiàn)利用氧氣的基因和酶（與銅,、鉬相關(guān)酶）在逐漸增多。這點(diǎn)與進(jìn)化相關(guān)的地質(zhì)紀(jì)錄也是相符的,。
Alm說,，“值得紀(jì)念的是，這些發(fā)現(xiàn)證明了古老的歷史在當(dāng)前的生物體在DNA中得到了再現(xiàn)?，F(xiàn)在,，我們逐步認(rèn)識(shí)了那段歷史到底是如何發(fā)展的，我們希望能夠重建更加詳細(xì)的生命進(jìn)化的細(xì)節(jié),。”（生物谷Bioon.com）
生物谷推薦英文摘要：
Nature doi:10.1038/nature09649
Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion
Lawrence A. David& Eric J. Alm
The natural history of Precambrian life is still unknown because of the rarity of microbial fossils and biomarkers1, 2. However, the composition of modern-day genomes may bear imprints of ancient biogeochemical events3, 4, 5, 6. Here we use an explicit model of macroevolution including gene birth, transfer, duplication and loss events to map the evolutionary history of 3,983 gene families across the three domains of life onto a geological timeline. Surprisingly, we find that a brief period of genetic innovation during the Archaean eon, which coincides with a rapid diversification of bacterial lineages, gave rise to 27% of major modern gene families. A functional analysis of genes born during this Archaean expansion reveals that they are likely to be involved in electron-transport and respiratory pathways. Genes arising after this expansion show increasing use of molecular oxygen (P = 3.4 × 10(8)) and redox-sensitive transition metals and compounds, which is consistent with an increasingly oxygenating biosphere.
