蓝藻是从光中获得能量的单细胞生物，利用光合作用来转化大气中的二氧化碳(CO2)和液态水(H2O)进入可呼吸的氧气和构成其细胞的碳基分子，如蛋白质。蓝藻是地球历史上最早进行光合作用的生物，负责使早期地球充满氧气，从而显着影响生命的进化方式。

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地质测量表明，三十多亿年前早期地球的大气层可能富含一氧化碳。2，远远高于目前人为气候变化造成的水平，这意味着古代蓝藻有很多东西可以“吃”。

但在地球数十亿年的历史中，大气中的一氧化碳2浓度已经降低，因此为了生存，这些细菌需要进化出新的策略来提取一氧化碳。2.因此，现代蓝藻看起来与它们的古代祖先完全不同，并且拥有一组复杂，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一个长期存在的谜团。这项新研究采用遗传技术来模拟现代生物的古代祖先，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球生物学教授Woodward Fischer和加州大学伯克利分校分子生物学副教授David Savage和霍华德休斯医学研究所实验室之间的合作。它出现在《美国国家科学院院刊》杂志上。

“这是一种研究地球历史的新兴方法，”Fischer说。“我们可以采用现代生物体并在实验室中对其进行改造，使我们能够通过严格的实验室实验来测试其进化轨迹。

蓝藻“吃”一氧化碳2在一种叫做Rubisco的酶的帮助下。简单地说，Rubisco并不擅长它的工作 - 它作用缓慢，并且倾向于与其他分子而不是CO反应。2.当蓝藻处于高浓度CO的环境中时，这不是问题2;Rubisco可能效率低下，细菌仍然可能含有足够的一氧化碳2代谢。但因为大气一氧化碳2数十亿年来，水平下降了很多，现代蓝藻已经进化出一种CCM来浓缩一氧化碳2在细菌自身体内，提高Rubisco的效率。

CCM让进化生物学家感到困惑，因为它们是如此微妙——改变编码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。

“我们认为进化是一步一步发生的，每个新基因都会增加一些新功能，”加州理工学院博士后学者，新论文的主要作者Avi Flamholz说。“例如，现代人眼的古代前体并不具有眼睛的所有功能，但可能可以检测到某种形式的光。对于CCM，没有明确的途径表明它们如何演变到今天的复杂性。

在这项新研究中，该团队着手模拟CCM结构的可能古代迭代。为此，他们对大肠杆菌进行了基因改造，以需要一氧化碳2因为他们的新陈代谢。因为在实验室中已经建立了用于处理大肠杆菌的遗传工具，因此使用这种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个基因设计了大肠杆菌菌株，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。

“这些结果突出了全球变化与地球生物圈进化之间无处不在的对话，”Fischer说。“作为 CO2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。