24亿年前砷中毒，微生物怎么解

砷是一种剧毒金属。它的三价和五价化合物对环境和生物有很高的毒性。为了了解微生物如何对地球环境中砷的变化做出反应，中国科学院生态环境研究中心研究员、中国科学院院士朱永观和美国佛罗里达国际大学的巴里·罗森(Barry P. Rosen)团队共同完成了一项研究，揭示微生物在24亿年前环境变化前后进化出一种砷还原酶来抵抗砷的毒性。这项研究发表在4月29日的《美国国家科学院院刊》上。

大约在24亿年前的早元古代，地球大气经历了第一次大规模氧化事件，被称为“大氧化事件”。在这次事件中，地球上分布最广的高毒性金属砷被从三价还原亚砷酸盐氧化为五价亚砷酸盐，导致原始生命首次暴露于五价砷的毒性，并成为威胁地球生命的重要环境因素之一。

那么，原始生命如何应对大型氧化事件引起的砷环境毒性的剧烈变化呢？利用系统进化基因组学、分子时钟理论和生物进化模型，该研究小组估算了迄今报道的所有微生物砷解毒基因的起源时间，重建了重大氧化事件前后微生物抗砷系统的进化，并结合地球化学证据阐述了环境中砷的变化与生物耐砷分子机制进化之间的关系。

结果表明，微生物砷解毒系统是由以三价砷为主的主要氧化事件发生前地球环境中还原砷的抗性机制组成的。主要途径包括三价砷的流出和甲基化，分别由亚砷酸转运蛋白(Acr3)和砷甲基转移酶(ArsM)介导。

为了减轻大规模氧化事件引起的五价砷的毒性效应，微生物进化出砷酸还原酶(ArsC)，并结合原有的砷流出机制组装成五价砷的解毒途径。随着大气中游离氧的积累，氧被微生物用来抵抗砷的毒性。其中，需氧酶ArsI(碳砷裂解酶)和ArsH(甲基砷氧化酶)介导了抗砷途径的产生和进化，进一步扩展了微生物砷解毒系统。

三价砷和五价砷微生物解毒的分子机制。

研究人员指出，重建地球上生命的起源和进化过程是地球环境科学和地球生物学中最具挑战性的研究课题之一。本研究以微生物抗砷系统的进化为例，系统描述了地球进化历史中生命对重金属环境毒性的适应过程，为阐明重金属循环、生命进化与地球进化之间的相互作用提供了新的视角。

据了解，该联合团队长期致力于砷生物地球化学过程和微生物抗砷分子机制的研究，并取得了一系列重要进展。此外，本研究还探索了一种新型“化石”——生物基因组在解决前沿进化生物学问题中的应用模式。所得结果对了解重金属污染环境中的生态过程具有重要意义，为人类适应、调节、改造和控制污染环境提供了一定的理论依据。

德国亥姆霍兹环境研究中心的博士后研究员陈松灿和中国科学院生态环境研究中心的研究员孙国新是合著者。朱永观和巴里·罗森是本文的通讯作者。

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2001063117