Гипотеза Фиолетовой Земли

Фиолетовая культура Haloarchaea ) (слева) и изолированные пурпурные и красные компоненты мембраны (справа

Гипотеза пурпурной Земли (PEH) — астробиологическая гипотеза , впервые предложенная молекулярным биологом Шиладитьей ДасСармой в 2007 году. ^[1] что самые ранние фотосинтетические формы жизни на ранней Земле были основаны на более простой молекуле ретиналя, а не на более сложном порфирина на основе хлорофилле , из-за чего поверхностная биосфера выглядела пурпурной, а не ее нынешний зеленоватый цвет. ^[2]^[3] По оценкам, это произошло между 3,5 и 2,4 миллиарда лет назад, во время архейского периода , до Великого события оксигенации и гуронского оледенения . ^[4]

, содержащие ретиналь, Клеточные мембраны имеют одиночный пик поглощения света с центром в богатой энергией зелено-желтой области видимого спектра , но пропускают и отражают красный и синий свет, что приводит к пурпурному цвету. ^[5] Пигменты хлорофилла, напротив, поглощают красный и синий свет, но практически не поглощают зеленый свет, что приводит к характерному зеленому отражению растений , зеленых водорослей , цианобактерий и других организмов с хлорофиллическими органеллами . Простота пигментов сетчатки по сравнению с более сложным хлорофиллом, их связь с изопреноидными липидами клеточной мембраны, а также открытие компонентов мембран архей в древних отложениях Ранней Земли согласуются с ранним появлением форм жизни с пурпурным цветом. мембраны до бирюзового океана Кэнфилда , а затем и зеленые фотосинтезирующие организмы. ^{[ нужна ссылка ]}

Доказательство

Открытие компонентов мембран архей в древних отложениях ранней Земли подтверждает теорию PEH. ^{[ нужна ссылка ]}

Современные примеры фотосинтеза на основе сетчатки

Примером существующих сегодня организмов на основе сетчатки являются фотосинтезирующие микробы, называемые галоархеями . ^[1] сетчатки производный белка бактериородопсин Многие Haloarchaea содержат в своей клеточной мембране , который осуществляет фотонами управляемую протонную перекачку , генерируя протон -движущий градиент через мембрану и управляя синтезом АТФ . Этот процесс представляет собой форму 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 дополнительные области солнечного спектра. Сосуществование микроорганизмов, содержащих фиолетовый и зеленый пигмент, во многих средах предполагает их совместную эволюцию.

Вполне возможно, что в биосфере ранней Земли изначально доминировали колонии архей, питаемые сетчаткой, которые поглощали весь богатый энергией зеленый свет, оставляя эубактериям, которые «жили в их тени», развиваться , используя остаточный спектр красного и синего света . Однако когда фотоавтотрофы появились и начали фотосинтезировать на основе порфиринов, в число которых вошли как примитивные пурпурные бактерии, использующие бактериохлорофилл, так и цианобактерии, высокореактивный дикислород высвободился использующие хлорофилл, в качестве побочного продукта расщепления воды , который начал накапливаться сначала в океане , а затем в атмосфера . За миллиард лет было произведено достаточно большое количество кислорода, восстановительные способности химических соединений на поверхности Земли были исчерпаны, и некогда восстановительная атмосфера со временем стала постоянно окислительной с обилием свободных молекул кислорода — событие известное как «Великое событие оксигенации» . Это совпало с глобальной глобальной катастрофой, длившейся 300 миллионов лет. ледниковый период в начале протерозоя, известный как гуронское оледенение (которое также могло быть частично вызвано окислительным истощением атмосферного метана — мощного парникового газа — из-за Великой оксигенации) и опустошил анаэробную биоту, оставив ниши открытыми . для эубактерий, которые развили антиоксидантные способности (как аэробных протеобактерий , так и фотосинтезирующих цианобактерий), чтобы эксплуатировать и процветать. Это также вынудило выживших анаэробов либо жить только в бескислородных водах и глубоководных зонах минимума кислорода , либо адаптироваться к симбиотической жизни среди аэробов (чьи колонии иногда потребляли достаточно свободного кислорода, чтобы создать очаги гипоксии , где могут процветать анаэробы), что могло проложили путь к долгосрочному эндосимбиозу между анаэробными архей и аэробными эубактериями (которые эволюционировали в митохондрии ), что позволило эукариотам развиваться.

Однако порфириновая природа хлорофилла создала эволюционную ловушку , диктующую, что хлорофиллические организмы не могут повторно адаптироваться, чтобы поглощать богатый энергией и теперь доступный зеленый свет, и поэтому в конечном итоге отражают и представляют зеленоватый цвет. Последующий успех более продвинутых хлорофиллических организмов (особенно зеленых водорослей и ранних растений ) в земной колонизации создал общую зеленую биосферу по всей Земле.

Последствия для астробиологии

Астробиологи предположили, что пигменты сетчатки могут служить отдаленными биосигнатурами в исследованиях 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 сетчатки также вероятна, а возможно, даже более вероятна, чем эволюция хлорофиллических систем.

См. также

Микробный родопсин
- Бактериородопсин — протонный насос , используемый галоархей для сбора световой энергии.
- Архаэродопсин — семейство ретинальсодержащих фоторецепторных белков, обнаруженных у Halobacterium и Halorubrum.
«Скучный миллиард» — более поздняя фаза протерозоя , когда моря могли быть бирюзовыми .
Красный край – область быстрого изменения отражательной способности растительности в ближнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ДасСарма, Шиладитья (2007). «Экстремальные микробы» . Американский учёный . 95 (3): 224. дои : 10.1511/2007.65.224 .
^ ДасСарма, Шиладитья; Швитерман, Эдвард В. (11 октября 2018 г.). «Ранняя эволюция фиолетовых пигментов сетчатки на Земле и значение биосигнатур экзопланет» . Международный журнал астробиологии . 20 (3): 241–250. arXiv : 1810.05150 . Бибкод : 2018arXiv181005150D . дои : 10.1017/S1473550418000423 . ISSN 1473-5504 . S2CID 119341330 .
^ Спаркс, Уильям Б.; ДасСарма, С.; Рид, Индиана (декабрь 2006 г.). «Эволюционная конкуренция между примитивными фотосинтетическими системами: существование ранней фиолетовой Земли?». Бюллетень Американского астрономического общества (Совместное заседание AAS/AAPT, Собрание Американского астрономического общества 209). 38 : 901. Бибкод : 2006AAS...209.0605S .
^ Купер, Кейт (15 октября 2018 г.). «Была ли жизнь на ранней Земле фиолетовой?» . Журнал астробиологии . Проверено 28 марта 2021 г.
^ Стокениус, Вальтер (1976). «Пурпурная мембрана солелюбивых бактерий». Научный американец . 234 (6): 38–47. Бибкод : 1976SciAm.234f..38S . doi : 10.1038/scientificamerican0676-38 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24950370 . ПМИД 935845 .
^ Швитерман, Эдвард В.; Кианг, Нэнси Ю.; Паренто, Мэри Н.; Харман, Честер Э.; ДасСарма, Шиладитья; Фишер, Тереза М.; Арни, Джада 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 . Бибкод : 2018AsBio..18..663S . дои : 10.1089/ast.2017.1729 . ISSN 1531-1074 . ПМК 6016574 . ПМИД 29727196 .

Внешние ссылки

[dassarma2007-1] Jump up to: ^а ^б ДасСарма, Шиладитья (2007). «Экстремальные микробы» . Американский учёный . 95 (3): 224. дои : 10.1511/2007.65.224 .

[2] ДасСарма, Шиладитья; Швитерман, Эдвард В. (11 октября 2018 г.). «Ранняя эволюция фиолетовых пигментов сетчатки на Земле и значение биосигнатур экзопланет» . Международный журнал астробиологии . 20 (3): 241–250. arXiv : 1810.05150 . Бибкод : 2018arXiv181005150D . дои : 10.1017/S1473550418000423 . ISSN 1473-5504 . S2CID 119341330 .

[3] Спаркс, Уильям Б.; ДасСарма, С.; Рид, Индиана (декабрь 2006 г.). «Эволюционная конкуренция между примитивными фотосинтетическими системами: существование ранней фиолетовой Земли?». Бюллетень Американского астрономического общества (Совместное заседание AAS/AAPT, Собрание Американского астрономического общества 209). 38 : 901. Бибкод : 2006AAS...209.0605S .

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

[5] Стокениус, Вальтер (1976). «Пурпурная мембрана солелюбивых бактерий». Научный американец . 234 (6): 38–47. Бибкод : 1976SciAm.234f..38S . doi : 10.1038/scientificamerican0676-38 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24950370 . ПМИД 935845 .

[6] Швитерман, Эдвард В.; Кианг, Нэнси Ю.; Паренто, Мэри Н.; Харман, Честер Э.; ДасСарма, Шиладитья; Фишер, Тереза М.; Арни, Джада 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 . Бибкод : 2018AsBio..18..663S . дои : 10.1089/ast.2017.1729 . ISSN 1531-1074 . ПМК 6016574 . ПМИД 29727196 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]