研究揭示光合作用可能與生命本身一樣古老

廣告
廣告

據外媒報道,研究人員發現,最早的細菌利用「工具」進行光合作用的關鍵步驟,這改變了他們對地球上生命進化的看法。這一發現也挑戰了人們對其他星球上生命可能如何進化的期望。產生氧氣的光合作用的進化被認為是複雜生命最終出現的關鍵因素。這被認為需要幾十億年的時間才能進化,但如果事實上最早的生命可以做到這一點,那麼其他星球可能比以前認為的更早地進化出複雜的生命。

由倫敦帝國理工學院的科學家領導的研究小組,追溯了光合作用所需的關鍵蛋白質的進化,這可能是地球上細菌生命的起源。他們的研究結果發表在《BBA – Bioenergetics》雜誌上。

1-s2.0-S0005272821000335-gr1.jpg

來自倫敦帝國理工學院的生命科學系的首席研究員Tanai Cardona博士說:「我們之前已經表明,執行氧氣生產的生物系統,即所謂的光系統II,是非常古老的,但直到現在,我們還沒有能夠將它放在生命歷史的時間軸上。現在,我們知道,光系統II顯示出通常只歸於最古老的已知酶的進化模式,這對生命本身的進化至關重要。"

早期氧氣的產生

廣告
廣告

光合作用將陽光轉化為能量,有兩種形式:一種是產生氧氣,另一種是不產生氧氣。產氧的形式通常被認為是後來才演化出來的,特別是在25億年前藍藻(或藍綠藻)的出現。雖然一些研究表明,在這之前可能已經出現了產氧(含氧)光合作用的「口袋」,但它仍然被認為是一種創新,至少需要幾十億年才能在地球上進化。

新的研究發現,能夠進行產氧光合作用中的關鍵過程–將水分裂成氫氣和氧氣–的酶實際上可能已經存在於一些最早的細菌中。地球上最早的生命證據是34億年前,一些研究表明,最早的生命很可能早於40億年前。

就像眼睛的進化一樣,最初的含氧光合作用可能非常簡單,效率也很低;由於最早的眼睛只感覺到光,所以最早的光合作用可能非常低效和緩慢。在地球上,細菌花了10多億年才完善了導致藍藻進化的過程,動物和植物又花了20億年才征服了陸地。然而,氧氣的產生在這麼早的時候就已經存在了,這意味著在其他環境中,比如在其他星球上,向複雜生命的過渡可能需要的時間要短得多。

1-s2.0-S0005272821000335-gr2.jpg

測量分子鐘

該團隊通過追蹤負責分裂水的關鍵光合作用蛋白質的 "分子鐘 "來實現他們的發現。這種方法通過觀察已知的進化時刻之間的時間來估計蛋白質的進化速度,例如藍藻或陸地植物的不同群體的出現,它們今天攜帶了這些蛋白質的版本。然後將計算出的進化速度向後延伸,看看這些蛋白質是什麼時候開始進化的。

廣告
廣告

他們將這些光合作用蛋白的進化速度與生命進化中其他關鍵蛋白的進化速度進行了比較,包括那些在體內形成能量儲存分子的蛋白和將DNA序列翻譯成RNA的蛋白,這被認為是起源於地球上所有細胞生命的祖先之前。他們還將這一速率與已知的更近期發生的事件進行了比較,當時生命已經多種多樣,藍藻已經出現。

光合作用蛋白與最古老的酶表現出幾乎相同的進化模式,時間上可以延伸到很久之前,這說明它們的進化方式是相似的。

1-s2.0-S0005272821000335-gr3.jpg

該研究的第一作者、來自帝國理工學院生命科學系的Thomas Oliver說:「我們使用了一種名為祖先序列重建的技術來預測祖先光合蛋白的蛋白質序列。這些序列給我們提供了關於祖先光系統II如何工作的信息,我們能夠表明,光系統II中氧氣進化所需的許多關鍵成分可以追溯到酶進化的最早階段。"

指導進化

了解這些關鍵的光合作用蛋白是如何進化的,不僅與尋找其他星球上的生命有關,而且可以幫助研究人員找到通過合成生物學以新的方式利用光合作用的策略。

Cardona博士正在領導這樣一個項目,作為他的UKRI未來領袖獎學金的一部分,他說。「現在我們對光合作用蛋白質如何進化,適應不斷變化的世界有了很好的認識,我們可以利用『定向進化』來學習如何改變它們,以產生新型的化學反應。」

廣告
廣告

「我們可以開發出完全由光碟機動的光系統,可以進行複雜的新型綠色和可持續的化學反應。」

廣告
廣告