令人惊讶的研究揭示了光合作用可能像生命本身一样古老

水面蓝藻菌

水面上的蓝细菌。

研究人员发现,最早的细菌有工具在光合作用中表现一个关键的步骤,改变了我们认为生活在地球上的发展。

该发现也挑战了对生活在其他行星上的发展方向发展的挑战。产生氧气的光合作用的演变被认为是复杂生命最终出现的关键因素。这被认为需要数十亿年来发展,但如果实际上,如果最早的生活可以做到这一点,那么其他行星可能比以前想到的比例更早地发展了复杂的生活。

“现在,我们知道光系统II显示的进化模式通常只归因于已知最古老的酶,这对生命本身的进化至关重要。”-Tanai卡多纳·博士

研究团队,由科学家们领导伦敦帝国理工学院他将光合作用所需的关键蛋白质的进化追溯至地球上细菌生命的起源。他们的研究结果已经发表,并且可以免费访问BBA——生物能学

Lead researcher Dr. Tanai Cardona, from the Department of Life Sciences at Imperial, said: “We had previously shown that the biological system for performing oxygen-production, known as Photosystem II, was extremely old, but until now we hadn’t been able to place it on the timeline of life’s history.

“现在,我们知道光系统II显示的进化模式通常只归因于已知最古老的酶,这对生命本身的进化至关重要。”

早期氧气生产

光合作用将阳光转化为能量,有两种形式:一种产生氧气,另一种不产生氧气。产生氧气的形式通常被认为是后来进化的,特别是在大约25亿年前蓝藻(或蓝绿藻)出现之后。

虽然一些研究表明,在此之前可能就已经存在少量的产氧光合作用了,但它仍然被认为是一种创新,至少在地球上进化了几十亿年。

这项新的研究发现,能够进行含氧光合作用关键过程的酶——将水分解成氢和氧——实际上可能存在于一些最早的细菌中。地球上存在生命的最早证据超过34亿岁,一些研究表明,最早的生命可能超过40亿岁。

殖民地的蓝藻

在显微镜下的蓝藻菌落。

就像眼睛的进化一样,第一个版本的氧气光合作用可能非常简单和低效;由于最早的眼睛只能感知光,早期的光合作用可能非常低效和缓慢。

在地球上,细菌花了十亿年才完善了蓝藻进化的过程,动植物又花了二十亿年才征服陆地。然而,在其他环境中,比如在其他行星上,氧气的产生很早就存在了,所以过渡到复杂生命的时间可能要短得多。

测量分子钟

该团队通过追踪负责分裂水的关键光合作用蛋白的“分子时钟”来发现他们的发现。该方法通过观察已知的进化矩之间的时间估计蛋白质的演化速率,例如当今携带这些蛋白质的不同组菌群或土地植物的出现。然后计算出的进化速率及时延长,以查看蛋白质首先进化。

“我们可以开发能够进行复杂的新绿色和可持续化学反应的光系统,完全由光线提供动力。”-Tanai卡多纳·博士

他们将这些光合作用蛋白的进化速率与生命进化过程中其他关键蛋白的进化速率进行了比较,这些关键蛋白包括那些在体内形成能量储存分子的蛋白和那些转化蛋白脱氧核糖核酸序列为核糖核酸它被认为在地球上所有细胞生物的祖先之前就已经产生了。他们还将这一比率与最近发生的事件进行了比较,当时生命已经发生了变化,蓝藻已经出现。

光合作用蛋白的进化模式与最古老的酶几乎相同,可以追溯到很久以前,这表明它们的进化方式相似。

第一作者托马斯奥利斯,从帝国生命科学部门说:“我们使用一种称为祖先序列重建的技术来预测祖先光合蛋白的蛋白质序列。

“这些序列为我们提供有关祖先照片II如何工作的信息,我们能够显示光照II中氧气进化所需的许多关键部件可以追溯到酶演变中的最早阶段。”

引导进化

了解这些关键的光合作用蛋白的进化过程,不仅有助于寻找其他星球上的生命,也有助于研究人员通过合成生物学找到利用光合作用的新方法。yabo124

Dr. Cardona, who is leading such a project as part of his UKRI Future Leaders Fellowship, said: “Now we have a good sense of how photosynthesis proteins evolve, adapting to a changing world, we can use ‘directed evolution’ to learn how to change them to produce new kinds of chemistry.

“我们可以开发能够进行复杂的新绿色和可持续化学反应的光系统,完全由光线提供动力。”

参考:Thomas Oliver,PatriciaSánchez-Baracaldo,Antricia W.Larkum,A. William Rutherford和Tanai Cardona,2月19日,AntriciaSánchez-Baracaldo,“泰国奥利弗”时间分辨对比较分子演变“。BBA——Bioenegetics
DOI:10.1016 / J.BBBABIO.2021.148400

1条评论关于“令人惊讶的研究揭示了光合作用可能像生命本身一样古老”

  1. 我认为这一启示是宇宙从进化论家回收派分灯的方式。

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