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中大研究團隊運用人工智能破解演化謎團
證27億年前有氧細菌已演化出氧氣呼吸能力
香港中文大學（中大）生命科學學院的研究團隊，運用機器學習結合演化分析，追溯細菌首次演化出呼吸氧氣的能力。研究分析超過80,000個細菌基因組，發現好氧細菌（即呼吸氧氣的細菌）大約在27億年前已經出現，比地球大氣氧氣首次大幅上升的「大氧化事件」（Great Oxidation Event，GOE，約24億年前）早了2至4億年。研究顯示微生物早在地球大氣全面轉變前，就已適應局部氧氣來源，推翻過去廣泛接受的觀點──即生物的氧氣呼吸能力僅在大氣氧氣豐富後才演化而出。研究成果已於知名期刊《美國國家科學院院刊》上發表。
追溯生命何時開始利用氧氣向來是科學界的一大挑戰。以往方法依賴直接檢測與氧氣利用的基因，但這些方法常因環境細菌的基因組不完整而失效。「環境基因組」通常來自複雜微生物群落的片段拼湊，並且本身呈碎片化，導致傳統檢測不可靠。
為解決此難題，由中大生命科學學院及李福善海洋研究中心羅海偉教授領導的研究團隊，聯同中大醫學院及英國聖安德魯斯大學的研究人員，開發出一種機器學習模型，無需直接尋找與氧氣相關的基因。該模型僅以最少一組由40個基因組成的基因集進行訓練，即可識別好氧細菌。這些基因大多涉及能量代謝和壓力反應等基本細胞過程，而並非直接處理氧氣。即使應用於不完整的環境基因組，此模型仍維持高準確度。
團隊將模型應用於龐大數據庫，並將結果對照到細菌系統演化樹（family tree）上，結合分子鐘定年技術（molecular clock dating，根據遺傳物質變化速率估計物種分歧時間），追溯細菌氧氣呼吸的演化歷史。羅教授表示：「我們的分子鐘年清楚顯示，好氧細菌在大氧化事件之前已存在在於局部環境中。這意味著，在數億年裡，這些早期氧氣呼吸微生物已活在『氧氣綠洲』（oases of oxygen）中，而這些氧氣很可能由早期釋氧細菌或非生物過程產生，而當時地球其餘大部分地區仍幾乎無氧。」
研究指出，好氧細菌最初出現後，數量一直相對稀少，直到大氧化事件期間數量才急劇擴張。第二次大規模擴張發生在約8至5.5億年前，與另一個大氣氧氣上升的重要時期「新元古代氧化事件」（Neoproterozoic Oxygenation Event，NOE）相吻合。
這項研究展示了機器學習如何預測現代微生物的特徵，並與演化樹分析結合，能可靠推斷古代先祖生命的特徵。團隊為機器學習應用於揭示深時（deep-time）演化事件樹立先例，為多分子演化研究開闢道路。
瀏覽完整論文《Non-canonical Genetic Markers Resolve the Pre-GOE Emergence of Aerobic Bacteria in Earth’s History》：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2515709123
圖1. 細菌氧氣呼吸的演化時間線。
此圓形演化樹展示了不同細菌類群首次出現的時間，以及它們能否具備氧氣呼吸能力（好氧菌）或不具備氧氣呼吸能力（厭氧菌）。內圈顏色環代表預測的氧氣需求類型，外圈則顯示主要細菌類群。時間以十億年為單位（Ga），從圓心代表的遠古時期向外輻射，逐漸接近現代。分支點上的餅圖表示推斷出的好氧菌系存在情況。
圖2. 中大生命科學學院及李福善海洋研究中心羅海偉教授。
