图 矿物-水界面活性氧(H₂O₂和O₂)对蓝细菌祖先形成的进化压力

发生在24.5—23.3亿年的蓝细菌祖先产氧光合作用的成功进化是地球和生命演化历史上最重要的里程碑事件之一，这导致了地球第一次大氧化事件（The Great Oxidation Event），驱动了表层地球系统发生革命性变化。但是，产氧光合作用的起源仍是未解之谜。目前，学术界普遍认为蓝细菌祖先进化产氧光合作用需要一个预先存在的氧化环境，过氧化氢（H₂O₂）是激发其产氧光合作用进化的关键物质。那么，H₂O₂究竟来源于何处是解译产氧光合作用成功进化的关键。

在国家自然科学基金项目（41921003、41825003）等的资助下，中国科学院广州地球化学研究所何宏平和朱建喜团队从矿物表/界面反应的视角开展了早期地球活性氧（reactive oxygen species，ROS）起源的研究。其成果以“《一种早于产氧光合作用的太古代H₂O₂和O₂的非生物来源》（An abiotic source of Archean hydrogen peroxide and oxygen that pre-dates oxygenic photosynthesis）”为题，于2021年11月16日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26916-2。

该研究发现，石英等矿物的破裂表面具有很高的能量，与水接触时会立刻反应并产生过氧化氢和氧气。通过基于太古代大气条件下的模拟实验和模型计算，该研究提出在浅海和河流三角洲等动荡的水体环境中，持续不断的矿物—水界面反应动力学过程可产生足够的过氧化氢和氧气等活性氧，形成的局部氧化环境对栖息于微生物席或水体中的不产氧光合细菌造成氧化应激，胁迫蓝细菌祖先适应ROS毒性并创新代谢方式，从而为产氧光合作用的起源提供进化压力，胁迫并启动蓝细菌产氧光合作用的进化。这一设想与系统发育分析获得活性氧解毒酶和氧利用酶的出现时间一致（图）。

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