Представьте себе Землю как фиолетовую планету. Это не метафора: фиолетовая, в физическом смысле слова. Пурпурные океаны, отражающие красный и синий свет под облачным, бескислородным небом. Эта гипотеза предложена… Шиладитья ДасСарма о 'Университет МэрилендаДо открытия хлорофилла фотосинтез основывался на ретинале — более простом пигменте, который поглощает зеленый свет и окрашивает организмы, использующие его, в фиолетовый цвет.
Археи, называемые галобактерии Они делают это и сегодня, окрашивая соляные озёра, в которых они обитают, в фиолетовый цвет. Но 3 миллиарда лет назад они господствовали на планете, оставляя лишь крохи солнечного спектра будущим зелёным растениям.
Фиолетовая Земля: Когда Ретиналь правил океанами
Гипотеза фиолетовой Земли, впервые предложенная ДасСармой в 2007 году, помещает эту фазу между 3,5 и 2,4 миллиардами лет назад, в архейский период. Эпоха, предшествовавшая Великое событие оксигенации, когда атмосфера ещё была заполнена метаном и углекислым газом. Ретиналь, в отличие от хлорофилла, который появился позже, представляет собой более простую по структуре молекулу. Для его функционирования не требуются сложные порфириновые структуры.
Он поглощает только один пик светового спектра: зелёно-жёлтую часть, самую энергетическую. Остальная часть (красная и синяя) отражается, создавая характерный пурпурный цвет. Это полная противоположность хлорофиллу., который поглощает красный и синий, но отражает зелёный. Возникает вопрос: почему растения отражают самую энергичную часть солнечного спектра?
Эволюционная ловушка зеленого
Ответ проще, чем кажется: кто-то другой уже забрал этот кусочек. Когда появился хлорофилл, микроорганизмы, основанные на пурпурном ретиниле, уже заняли наиболее выгодную экологическую нишу. Они поглощали жёлто-зелёный свет, самый распространённый в солнечном спектре. Хлорофиллсодержащим организмам пришлось адаптироваться к тому, что осталось: красным и синим длинам волн.
Сосуществование фиолетовых и зеленых организмов можно наблюдать и сегодня. микробные ковры, слоистые колонии, где разные микробы используют взаимодополняющие участки светового спектра. Возможно, на ранней Земле пурпурные археи доминировали в верхних слоях океанов, вынуждая бактерии, живущие «в тени», эволюционировать, используя оставшиеся длины волн.
И затем хлорофилл создал эволюционная ловушкаЕго химическая структура, основанная на порфиринах (сложных кольцах, которые координируют атом магния), настолько специализирована для поглощения красного и синего света, что ее больше нельзя модифицировать для улавливания зеленого света. Организмы, содержащие хлорофилл, оказались в ловушке этого биохимического выбора, всегда отражая зеленый цвет, даже когда после массового вымирания фиолетовых микробов эта часть спектра снова стала доступной.
Великое событие оксигенации
Пурпурное царствование закончилось с приходом цианобактерии, фотосинтезирующие организмы на основе хлорофилла, которые имели летальные характеристики: они производили кислород как продукт метаболизмаОколо 2,4 миллиарда лет назад кислород начал накапливаться сначала в океанах, а затем в атмосфере. Для анаэробных организмов, процветавших до этого, он был ядовит.
Этот процесс занял почти миллиард лет. Но когда атмосфера стала необратимо окисленной ( Великое событие оксигенации), Это было одно из крупнейших массовых вымираний в истории Земли.Анаэробные археи были вынуждены искать убежища в бескислородной среде: в глубоких водах, осадках и областях с минимальным содержанием кислорода. Или же им пришлось адаптироваться к жизни в симбиозе с аэробными организмами, что проложило путь эндосимбиозу, приведшему к появлению эукариот.
Это событие также совпало с Гуронское оледенение, ледниковый период, длившийся 300 миллионов лет. Кислород разрушил атмосферный метан (мощный парниковый газ), охладив планету. Фотосинтез только что необратимо изменили Землю.
Фиолетовые выжившие
Сетчатка не исчезла. Галоархеи (Солелюбивые археи) – это организмы, которые и сегодня широко распространены в экстремальных условиях: от Мёртвого моря до Большого Солёного озера в Юте и солёных озёр Анд. Когда они массово цветут, они окрашивают воду в тёмно-фиолетовый цвет. Ключевой белок – бактериородопсин, производное ретиналя, функционирующее как работающий под действием света протонный насос.
Эти организмы составляют одна из простейших биоэнергетических систем, известных тем, что улавливает световую энергиюОни не фиксируют углерод и не производят кислород. Они перекачивают протоны через клеточную мембрану, создавая градиент, который стимулирует синтез АТФ. Это аноксигенный фотосинтез — примитивная, но функциональная форма сбора солнечной энергии.
В поисках фиолетовых планет
Гипотеза «фиолетовой Земли» имеет глубокие астробиологические последствия. Если ретиналь проще хлорофилла и, возможно, появился первым на Земле, то же самое могло произойти и в других местах. Астробиологи традиционно искали биосигнатуры Связанные с хлорофиллом: планеты, отражающие зелёно-жёлтый свет. Но если эволюция ретиналя столь же вероятна (или, возможно, более вероятна), как и эволюция хлорофиллосодержащих систем, нам следует расширить наши исследования.
Планеты, отражающие красный и синий свет, могут быть местом обитания биосфер, основанных на ретинальных частицах. Фиолетовые миры, биохимически более простые, но столь же яркие. Как он сказал, Эдвард Швитерман, соавтор исследования:
«Если гипотеза фиолетовой Земли верна и на ранней Земле доминировали фиолетовые организмы, мы можем обнаружить еще одну планету на более ранней стадии эволюции»..
За 4,54 миллиарда лет Земля много раз меняла свой цвет. Почему бы ей не быть фиолетовой? Что, если бы где-то на далёкой экзопланете всё ещё существовали светящиеся пурпурные океаны, населённые археями, никогда не знавшими кислорода?
Обнаружение архейных липидов в древних отложениях подтверждает эту гипотезу. Эти молекулы связаны с примитивным ретиналем, а не с хлорофиллом. Это позволяет предположить, что земная биосфера питалась ретиналем до появления фотосинтеза, основанного на хлорофилле.
До зелёного был фиолетовый. И фиолетовый, возможно, возвращается каждый раз, когда жизнь начинается заново.
