蓝藻是单细胞生物，从光中获取能量，利用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。蓝藻是地球历史上第一个进行光合作用的生物，并负责使早期的地球充满氧气，从而极大地影响了生命的进化。

地质测量表明，30亿年前早期地球的大气中很可能含有丰富的二氧化碳，远高于目前由人为气候变化引起的水平，这意味着古代蓝藻有足够的“食物”。但在地球数十亿年的历史中，大气中的二氧化碳浓度一直在下降，因此为了生存，这些细菌需要进化出新的策略来提取二氧化碳。因此，现代蓝藻看起来与它们的古代祖先有很大的不同，它们拥有一套复杂而脆弱的结构，称为二氧化碳浓缩机制(CCM)，以补偿较低浓度的二氧化碳。

现在，加州理工学院的新研究揭示了CCM是如何进化的，解决了进化地质生物学领域一个长期存在的谜题。这项新研究采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学院地质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·萨维奇实验室和霍华德·休斯医学研究所的合作。该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

“这是研究地球历史的一种新兴方式。”费舍尔说。“我们可以在实验室里改造现代生物，通过严格的实验室实验来测试它的进化轨迹。”

蓝藻在一种叫做rubisco的酶的帮助下“吃掉”二氧化碳。简单地说，Rubisco并不擅长它的工作——它反应缓慢，倾向于与其他分子而不是二氧化碳反应。在高浓度二氧化碳的环境中，这对蓝藻来说不是问题;rubisco可能效率不高，细菌仍然可以有足够的二氧化碳进行代谢。但由于大气中的二氧化碳水平在数十亿年里下降了很多，现代蓝藻已经进化出一种CCM来将二氧化碳浓缩在细菌体内，并提高rubisco的效率。

进化生物学家对CCM感到困惑，因为它们非常微妙——改变为CCM各个部分编码的20个基因中的任何一个都会导致整个结构失效。

加州理工学院博士后学者、这篇新论文的主要作者Avi Flamholz说:“我们认为进化是逐步发生的，每个新基因都会增加一些新功能。”“例如，现代人眼的古代祖先没有眼睛的所有功能，但可能可以探测到某种形式的光。对于CCM，没有明确的途径表明它们是如何进化到今天的复杂性的。”

在这项新的研究中，研究小组开始对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。由于在实验室中已经建立了用于大肠杆菌的遗传工具，因此使用这个模型系统比蓝藻本身更容易处理。然后，该团队用构成CCM的20个基因改造了大肠杆菌菌株，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，实际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。

“这些结果强调了全球变化和地球生物圈进化之间无所不在的对话。”费舍尔说。“随着二氧化碳变得越来越稀缺，蓝藻能够创新出一种非凡的生化解决方案。”

这篇论文的标题是“细菌二氧化碳浓缩机制的进化轨迹”。除了Flamholz和Fischer，合著者还有Eli Dugan, John Desmarais, Luke Oltrogge。

加州大学伯克利分校的大卫·萨维奇;劳伦斯伯克利国家实验室的贾斯汀·帕尼奇和史蒂文·辛格。资金由国家科学基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会、卡弗里基金会、施瓦茨/赖斯曼合作科学计划、美国能源部和荷兰皇家壳牌能源和生物科学研究所提供。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。