氧氣，奠定了地球上萬千生命的根基：動物以此為命脈，植物則透過光合作用吐納氧氣作為副產品。我們無法想像地球沒有氧氣的狀態。然而，在地球45億年的漫長歲月中，有近半數光陰，大氣幾乎完全沒有氧氣。直到約24億年前，微小生物悄然釋放氧氣，才一點一滴地在大氣與海洋中開始累積，掀起了被稱為「大氧化事件」（GOE）的漫長轉折。在接下來的數億年間，氧氣濃度從近乎虛無，逐步攀升至相當於現今水平的約0.1-1%。
過去有一種觀點認為，只有在氧氣廣泛出現之後，能夠呼吸氧氣的生物才得以演化而出。然而，中大的最新研究為這場長期爭論提供了新證據，顯示好氧細菌的出現遠比許多人想像的更早。在全球大氣尚未開始累積氧氣的遠古時代，地球已散落著一處處隱秘的「氧氣綠洲」，而中大研究發現，正是在這些微小的氧氣環境中，孕育出了最早能夠呼吸氧氣的細菌群落。這些「好氧細菌」很可能早在約27億年前便已出現，比大氧化事件早了2億至4億年之久。
由中大生命科學學院副教授及李福善海洋研究中心主任羅海偉教授領導的研究團隊，利用人工智能技術，剖析了來自公開基因組分類數據庫的80,000個細菌基因組。他們並未預先設定要尋找已知的氧氣利用基因，而是讓機器學習自行探尋：究竟哪些基因組特徵，最能有效區分出真正「會呼吸」的細菌？模型最終鎖定40個基因，它們多與細胞最核心的運作有關，例如能量生成、壓力應對，以及必要分子組件的生物合成。羅教授將之比喻為「細胞最基礎的內務處理程序」（housekeeping processes）。
縱使只用了40個基因，模型仍能作出可靠的預測結果：因為這些基因屬於高度整合的細胞系統，即使基因組數據中缺少部分基因，整體的基因譜圖依然能夠反映細菌的呼吸方式。反之，傳統方法只依賴與氧氣利用直接相關的基因，一旦這些基因在數據中缺失，就無法判斷該細菌是本來就不需要氧氣，還是基因組組裝時遺漏了相關序列。
這些細菌賴以生存的「氧氣綠洲」，正是由細菌自己創造的，也就是現代藍綠藻（cyanobacteria）的祖先。它們從約27億至30億年前開始透過光合作用產生氧氣作為副產品。
羅海偉教授表示：「這些好氧細菌在大氣尚未累積氧氣之前便已存在，顯示生命在地球大氣被改變、氧氣開始全球累積之前，就已經利用局部的氧氣呼吸適應環境。無須待整個星球都充滿氧氣，只要有持久而隱秘的小小氧氣口袋，就足以驅動重大的代謝突破。」
或許有人會想，局部產生的氧氣，豈不應迅速瀰漫整個大氣？羅教授解釋，這種情況並未發生，是因為早期的地球在化學性質上對氧氣極度「饑渴」。「海洋中富含溶解的亞鐵和其他還原性礦物質，會迅速與氧氣產生反應並將其消滅；火山氣體就如化學海綿，不斷吸收游離的氧氣。這意味著，氧氣只能在被細膩保護的微環境中喘息存續，例如黏滑的細菌墊深處或沉積物表層。」他補充道，這些「口袋」大多細小且零散，範圍由米級至毫米級不等，但分布可能相當廣泛 。
適應呼吸氧氣，對當時的細菌而言是一種演化優勢，使它們能更有效地產生能量，從而在營養匱乏的環境中取得競爭先機。除了好氧細菌，這些氧氣口袋還可能容納了產氧的光合先驅與其他厭氧微物，形成簡單的微生物群落。羅教授說﹕「它們是氧氣生命的先驅。它們的存在表明，生命早在大氣改變之前，就已為含氧世界鋪陳道路。所有後來依賴氧氣的生物，包括動植物，皆是此代謝創新的繼承者。」
羅教授補充，這項發現具有重要的當代意義：「透過展示生命在大氣氧氣廣泛累積之前，已經適應局部氧氣環境，我們得以深入了解生物與環境之間那份深遠而長期的互動關係。這個觀點有助我們理解生命在當前氣候變遷下能如何應對，例如二氧化碳濃度攀升對海洋化學與氧氣水平的影響。」
研究團隊正計劃在現有基礎上，進一步建構模型，納入部分需氧微生物，以更完整地描繪氧氣適應的過程。羅教授表示：「這種工具與當代生態系統的健康息息相關。今日許多嚴峻環境正面臨氧氣的壓力——季節性缺氧的沿海『死區』，或因暖化與營養污染而導致氧氣波動的珊瑚礁。一個更精準的基因組預測工具，將有助於我們監測微生物群落在這些壓力下的反應，並更準確地預測生態系統在變動環境中的恢復能力。」
