氧气，堪称地球上万千生命得以繁衍生息的根基。动物依赖氧气维持生命活动，植物则通过光合作用释放氧气这一副产品。我们很难想象，若地球缺失氧气，将会是怎样一番景象。然而，在地球长达45亿年的历史长河中，有近乎一半的时间里，大气中几乎不存在氧气。
大约24亿年前，微小的生物开始悄然释放氧气，这些氧气在大气与海洋中逐渐累积，引发了被称作“大氧化事件”（GOE）的重大转折。在接下来的数亿年里，氧气浓度从几乎为零的状态，逐步上升至相当于现今水平的约0.1 - 1%。
过去，学界普遍认为，只有在大气中氧气广泛出现之后，能够呼吸氧气的生物才得以演化。但香港中文大学的最新研究，为这场长期存在的争论提供了全新证据，表明好氧细菌的出现时间远比人们此前想象的要早得多。
在地球大气尚未开始积累氧气的远古时期，地球上其实已经存在一些隐秘的“氧气绿洲”。香港中文大学的研究发现，正是在这些微小的氧气环境里，孕育出了最早能够呼吸氧气的细菌群落。这些“好氧细菌”很可能早在约27亿年前就已出现，比大氧化事件早了2亿至4亿年。
由香港中文大学生命科学学院副教授兼李福善海洋研究中心主任罗海伟教授领衔的研究团队，借助人工智能技术，对来自公开基因组分类数据库的80,000个细菌基因组展开了深入剖析。他们并未事先设定要寻找已知的氧气利用基因，而是让机器学习自行探索：究竟哪些基因组特征，能够最有效地区分出真正“会呼吸”的细菌？
最终，模型锁定了40个基因。这些基因大多与细胞的核心运作紧密相关，例如能量生成、应对压力以及必要分子组件的生物合成等。罗教授形象地将它们比喻为“细胞最基础的内务处理程序”。
即便仅依靠这40个基因，模型依然能够给出可靠的预测结果。这是因为这些基因属于高度整合的细胞系统，即便基因组数据中缺失部分基因，整体的基因谱图仍能反映细菌的呼吸方式。与之相反，传统方法仅依赖与氧气利用直接相关的基因，一旦这些基因在数据中缺失，就无法判断该细菌是原本就不需要氧气，还是在基因组组装过程中遗漏了相关序列。
从细菌氧气呼吸的演化时间线来看，预测的好氧细菌（黄色）与厌氧细菌（紫色）清晰可辨。红色箭头标示出最早的好氧细菌约出现于27亿年前，这一时间远早于大氧化事件。
这些细菌赖以生存的“氧气绿洲”，实际上是由细菌自身创造的，也就是现代蓝绿藻（cyanobacteria）的祖先。它们从约27亿至30亿年前开始通过光合作用产生氧气作为副产品。罗海伟教授表示：“这些好氧细菌在大气尚未积累氧气之前就已存在，这表明生命在地球大气被改变、氧气开始全球累积之前，就已经能够利用局部的氧气进行呼吸以适应环境。无需等待整个星球都充满氧气，只要有持久且隐秘的小小氧气口袋，就足以推动重大的代谢突破。”
或许有人会疑惑，局部产生的氧气难道不会迅速弥漫到整个大气中吗？罗教授解释道，这种情况并未发生，是因为早期的地球在化学性质上对氧气极为“饥渴”。“海洋中富含溶解的亚铁和其他还原性矿物质，它们会迅速与氧气发生反应并将其消耗；火山气体就像化学海绵，不断吸收游离的氧气。这意味着，氧气只能在被精心保护的微环境中艰难存续，例如黏滑的细菌垫深处或沉积物表层。”他补充说，这些“口袋”大多细小且零散，范围从米级到毫米级不等，但分布可能相当广泛。
对于当时的细菌而言，适应呼吸氧气是一种显著的演化优势，使它们能够更高效地产生能量，从而在营养匮乏的环境中占据竞争先机。除了好氧细菌，这些氧气口袋还可能容纳了产氧的光合先驱以及其他厌氧微生物，形成了简单的微生物群落。罗教授说：“它们是氧气生命的先驱。它们的存在表明，生命早在大气改变之前，就已为含氧世界铺平了道路。所有后来依赖氧气的生物，包括动植物，都是这一代谢创新的继承者。”
罗教授还补充道，这项发现具有极为重要的当代意义。通过揭示生命在大气氧气广泛累积之前就已经适应局部氧气环境，我们能够更深入地了解生物与环境之间那份深远而长期的互动关系。这一观点有助于我们理解生命在当前气候变迁下可能作出的应对，例如二氧化碳浓度攀升对海洋化学与氧气水平的影响。
目前，研究团队正计划在现有基础上，进一步构建模型，纳入部分需氧微生物，以更完整地描绘氧气适应的过程。罗教授表示：“这种工具与当代生态系统的健康息息相关。如今，许多严峻的环境正面临着氧气的压力，比如季节性缺氧的沿海‘死区’，或者因暖化与营养污染而导致氧气波动的珊瑚礁。一个更精准的基因组预测工具，将有助于我们监测微生物群落在这些压力下的反应，并更准确地预测生态系统在变动环境中的恢复能力。”
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