由加州大学圣地亚哥分校生物工程教授伯恩哈德·帕尔松(Bernhard Palsson)和帕尔松实验室博士后研究员阿米特什·阿南德(Amitesh Anand)领导的研究小组于11月25日在《科学》杂志上发表了他们的研究结果美国国家科学院院刊(PNAS)。

呼吸过程依赖于不同类型的膜定位，氧化还原活性小分子被称为呼吸醌。泛醌是一种类型，在现代生命形式中用于有氧呼吸。从历史上看，它的出现与地球上氧气的出现重叠。另一种类型是萘醌，主要用于古代生物(大约25亿年前地球上几乎没有氧气时存在)的厌氧呼吸。

这种醌的多样化与地球环境的氧化作用重叠，因此被认为是对氧气水平上升的适应性反应。然而，大量的细菌种类仍然使用古老的呼吸醌，萘醌进行有氧呼吸。

大肠杆菌其他几种细菌获得了生产泛醌的能力，同时保留了制造萘醌的途径。有趣的是，这些细菌使用泛醌进行有氧呼吸，使用萘醌进行无氧呼吸。缺乏泛醌的细菌种类，如金黄色葡萄球菌和结核分枝杆菌，可以有效地使用萘醌进行有氧呼吸。

为了检查有氧萘醌在能够产生两种呼吸性醌的细菌物种中的代谢限制，研究人员设计了一种泛素缺乏的菌株大肠杆菌用古老的呼吸醌迫使它进行有氧呼吸。然后，他们对该菌株进行了适应性实验室进化，以了解细菌物种在有氧环境中使用古醌时面临的代谢挑战。其目的是重现地球大气中氧气迅速增加的情况，这一事件通常被称为大氧合事件。

的大肠杆菌进化为使用萘醌进行有氧呼吸的菌株被观察到激活细胞防御系统的一个亚群，该系统主要负责减轻质周空间的氧化应激。萘醌相对较低的氧化还原电位使其在呼吸过程中电子传递链的操作过程中更容易发生非生产性电子泄漏，从而产生活性自由基，对细胞造成损伤。

通过激活一种防御机制，细菌经历了更安全的电子传递链操作，并表现出氧气消耗的改善。然而，激活这种防御机制需要细菌重新分配有限的细胞资源。这限制了进化菌株的生长能力。研究人员推测，这种所谓的“恐惧-贪婪”权衡导致了更高氧化还原电位的醌的出现。

研究人员说，了解这种恐惧与贪婪之间的权衡不仅可以提高对微生物生物能量进化的基本理解，还可以促进细菌生长和生存的调节，特别是对使用萘醌进行有氧呼吸的广泛致病菌。