Гипотеза Пурпурной Земли

Астробиологическая гипотеза относительно ранних фотосинтезирующих организмов

Пурпурная культура Haloarchaea ( слева ) и изолированные пурпурные и красные мембранные компоненты (справа)

Гипотеза пурпурной Земли (ПЭЗ) — астробиологическая гипотеза , впервые предложенная молекулярным биологом Шиладитьей ДасСармой в 2007 году ^[1] , согласно которой самые ранние фотосинтетические формы жизни на ранней Земле были основаны на более простой молекуле ретиналя , а не на более сложном хлорофилле на основе порфирина , из-за чего поверхность биосферы выглядела пурпурной, а не ее нынешней зеленоватой окраской. ^[2]^[3] Предполагается, что это произошло между 3,5 и 2,4 миллиардами лет назад во время архейского эона , до Великого события оксигенации и гуронского оледенения . ^[4]

Ретинальные клеточные мембраны демонстрируют один пик поглощения света , сосредоточенный в богатой энергией зелено-желтой области видимого спектра , но пропускают и отражают красный и синий свет, в результате чего получается пурпурный цвет. ^[5] Пигменты хлорофилла, напротив, поглощают красный и синий свет, но мало или совсем не поглощают зеленый свет, что приводит к характерному зеленому отражению растений , зеленых водорослей , цианобактерий и других организмов с хлорофильными органеллами . Простота ретинальных пигментов по сравнению с более сложным хлорофиллом, их связь с изопреноидными липидами в клеточной мембране, а также обнаружение компонентов мембран архей в древних отложениях на ранней Земле согласуются с ранним появлением форм жизни с фиолетовыми мембранами до бирюзового цвета океана Кэнфилда и более поздних зеленых фотосинтезирующих организмов. ^{[ необходима цитата ]}

Доказательство

Открытие компонентов архейной мембраны в древних отложениях на ранней Земле подтверждает теорию ПЭХ. ^{[ необходима ссылка ]}

Современные примеры фотосинтеза на основе ретиналя

Примером организмов на основе ретиналя, существующих сегодня, являются фотосинтетические микробы, совместно называемые Haloarchaea . ^[1] Многие Haloarchaea содержат в своей клеточной мембране производный белок ретиналя бактериородопсин , который осуществляет фотон -управляемую протонную перекачку , создавая протон -движущий градиент через мембрану и управляя синтезом АТФ . Этот процесс является формой аноксигенного фотосинтеза , который не включает фиксацию углерода , а мембранный белковый насос галоархей представляет собой одну из простейших известных биоэнергетических систем для сбора световой энергии .

Эволюционная история

Микроорганизмы с фиолетовыми и зелеными фотопигментами часто сосуществуют в стратифицированных колониях, известных как микробные маты , где они могут использовать комплементарные области солнечного спектра. Сосуществование фиолетовых и зеленых пигментсодержащих микроорганизмов во многих средах предполагает их совместную эволюцию.

Возможно, что в биосфере ранней Земли изначально доминировали колонии архей, питаемые ретином, которые поглощали весь зеленый свет, оставляя эубактериям , которые «жили в их тени», развиваться , используя остаточный красный и синий световой спектр . Однако, когда фотоавтотрофы на основе порфирина эволюционировали и начали фотосинтезировать, включая как примитивные пурпурные бактерии, использующие бактериохлорофилл, так и цианобактерии, использующие хлорофилл, в качестве побочного продукта расщепления воды выделялся высокореактивный дикислород , который начал накапливаться сначала в океане , а затем в атмосфере . В течение миллиарда лет было произведено достаточно большое количество кислорода, восстановительные возможности химических соединений на поверхности Земли были истощены, и некогда восстановительная атмосфера в конечном итоге стала постоянно окисляющей с обилием свободных молекул кислорода — событие, известное как Великое событие оксигенации . Это совпало с глобальным ледниковым периодом продолжительностью 300 миллионов лет в начале протерозоя, известным как Гуронское оледенение (которое также могло быть частично вызвано окислительным истощением атмосферного метана — мощного парникового газа — из-за Великой оксигенации) и опустошило анаэробную биоту, оставив ниши открытыми для эубактерий, которые развили антиоксидантные способности (как аэробные протеобактерии , так и фотосинтетические цианобактерии), чтобы использовать их и процветать. Это также заставило выживших анаэробов либо жить только в бескислородных водах и глубоководных зонах с минимальным содержанием кислорода , либо приспособиться к симбиотической жизни среди аэробов (чьи колонии иногда потребляли достаточно свободного кислорода, чтобы создавать очаги гипоксии , где анаэробы могли процветать), что могло проложить путь для долгосрочного эндосимбиоза между анаэробными археями и аэробными эубактериями (которые эволюционировали в митохондрии ), что позволило эукариотам эволюционировать.

Однако порфириновая природа хлорофилла создала эволюционную ловушку , диктуя, что хлорофильные организмы не могут повторно адаптироваться к поглощению богатого энергией и теперь доступного зеленого света, и поэтому в конечном итоге стали отражать и представлять зеленоватый цвет. Последующий успех более продвинутых хлорофильных организмов (особенно зеленых водорослей и ранних растений ) в наземной колонизации создал общую зеленую биосферу по всей Земле.

Значение для астробиологии

Астробиологи предположили, что пигменты сетчатки могут служить удаленными биосигнатурами в исследовании экзопланет. ^[6] Гипотеза Пурпурной Земли имеет большое значение для поиска внеземной жизни . Исторически планеты, отражающие свет в зелено-желтом диапазоне, искались в качестве возможных хозяев для фотосинтезирующих организмов из-за предполагаемого присутствия хлорофилла. Гипотеза предполагает, что методы поиска следует распространить на планеты, отражающие синий и красный свет, поскольку эволюция фотосинтеза на основе ретиналя также вероятна или, возможно, даже более вероятна, чем эволюция хлорофильных систем.

Смотрите также

Микробный родопсин
- Бактериородопсин — протонный насос , используемый галоархеями для сбора световой энергии.
- Архаеродопсин — семейство фоторецепторных белков, содержащих ретиналь, обнаруженных в Halobacterium и Halorubrum.
Скучный миллиард — более поздняя фаза протерозоя , когда моря могли быть бирюзовыми .
Красная кромка – область быстрого изменения отражательной способности растительности в ближнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра.Pages displaying wikidata descriptions as a fallback

Ссылки

^ ab DasSarma, Shiladitya (2007). «Экстремальные микробы». American Scientist . 95 (3): 224. doi :10.1511/2007.65.224.
^ DasSarma, Shiladitya; Schwieterman, Edward W. (11 октября 2018 г.). «Ранняя эволюция пурпурных пигментов сетчатки на Земле и их влияние на биосигнатуры экзопланет». International Journal of Astrobiology . 20 (3): 241–250. arXiv : 1810.05150 . Bibcode : 2018arXiv181005150D. doi : 10.1017/S1473550418000423. ISSN 1473-5504. S2CID 119341330.
^ Sparks, William B.; DasSarma, S.; Reid, IN (декабрь 2006 г.). «Эволюционная конкуренция между примитивными фотосинтетическими системами: существование ранней пурпурной Земли?». Бюллетень Американского астрономического общества (совместное заседание AAS/AAPT, заседание Американского астрономического общества 209). 38 : 901. Bibcode :2006AAS...209.0605S.
^ Купер, Кит (15 октября 2018 г.). «Была ли жизнь на ранней Земле фиолетовой?». Журнал Astrobiology . Получено 28 марта 2021 г.
^ Stoeckenius, Walther (1976). «Пурпурная мембрана бактерий, любящих соль». Scientific American . 234 (6): 38–47. Bibcode : 1976SciAm.234f..38S. doi : 10.1038/scientificamerican0676-38. ISSN 0036-8733. JSTOR 24950370. PMID 935845.
^ Швитерман, Эдвард В.; Кианг, Нэнси Й.; Паренто, Мэри Н.; Харман, Честер Э.; ДасСарма, Шиладитья; Фишер, Тереза М.; Арни, Джиада Н.; Хартнетт, Хилари Э .; Рейнхард, Кристофер Т. (1 июня 2018 г.). «Биосигнатуры экзопланет: обзор дистанционно обнаруживаемых признаков жизни». Астробиология . 18 (6): 663–708. arXiv : 1705.05791 . Bibcode : 2018AsBio..18..663S. doi : 10.1089/ast.2017.1729. ISSN 1531-1074. PMC 6016574 . PMID 29727196.

Внешние ссылки

Красочные миры: растения на других планетах могут быть не зелеными
PBS Eons: Когда Земля была фиолетовой
CNN Colorscope-Когда жизнь на Земле зародилась, она была фиолетовой

[dassarma2007-1] DasSarma, Shiladitya (2007). «Экстремальные микробы». American Scientist . 95 (3): 224. doi :10.1511/2007.65.224.

[2] DasSarma, Shiladitya; Schwieterman, Edward W. (11 октября 2018 г.). «Ранняя эволюция пурпурных пигментов сетчатки на Земле и их влияние на биосигнатуры экзопланет». International Journal of Astrobiology . 20 (3): 241–250. arXiv : 1810.05150 . Bibcode : 2018arXiv181005150D. doi : 10.1017/S1473550418000423. ISSN 1473-5504. S2CID 119341330.

[3] Sparks, William B.; DasSarma, S.; Reid, IN (декабрь 2006 г.). «Эволюционная конкуренция между примитивными фотосинтетическими системами: существование ранней пурпурной Земли?». Бюллетень Американского астрономического общества (совместное заседание AAS/AAPT, заседание Американского астрономического общества 209). 38 : 901. Bibcode :2006AAS...209.0605S.

[4] Купер, Кит (15 октября 2018 г.). «Была ли жизнь на ранней Земле фиолетовой?». Журнал Astrobiology . Получено 28 марта 2021 г.

[5] Stoeckenius, Walther (1976). «Пурпурная мембрана бактерий, любящих соль». Scientific American . 234 (6): 38–47. Bibcode : 1976SciAm.234f..38S. doi : 10.1038/scientificamerican0676-38. ISSN 0036-8733. JSTOR 24950370. PMID 935845.

[6] Швитерман, Эдвард В.; Кианг, Нэнси Й.; Паренто, Мэри Н.; Харман, Честер Э.; ДасСарма, Шиладитья; Фишер, Тереза М.; Арни, Джиада Н.; Хартнетт, Хилари Э .; Рейнхард, Кристофер Т. (1 июня 2018 г.). «Биосигнатуры экзопланет: обзор дистанционно обнаруживаемых признаков жизни». Астробиология . 18 (6): 663–708. arXiv : 1705.05791 . Bibcode : 2018AsBio..18..663S. doi : 10.1089/ast.2017.1729. ISSN 1531-1074. PMC 6016574 . PMID 29727196.