紫色地球仮説（むらさきいろちきゅうかせつ、英: Purple Earth hypothesis、略称: PEH）は、宇宙生物学上の仮説である。分子生物学者のにより2007年に初めて提唱された。この仮説では、の最初期の光合成生物は、より複雑なポルフィリンを基盤とするクロロフィルではなく、より単純な分子であるレチナールを利用していたため、地表の生物圏は現在のような緑色ではなく、紫色がかった外観を呈していたとされる。この状態は、太古代の累代にあたる約35億年前から24億年前の間、すなわち大酸化事変およびヒューロニアン氷期の前に存在したと推定されている。
レチナールを含む細胞膜は、可視光線のうちエネルギーに富む緑黄色領域を中心に単一の吸光ピークを示すが、赤色光と青色光は透過および反射するため、紫色に見える。これに対してクロロフィル色素は赤色光と青色光を吸収する一方、緑色光はほとんど、またはまったく吸収しない。このため、植物、藍藻、緑藻、その他クロロフィルをもつ細胞小器官を備えた生物に特徴的な緑色の反射が生じる。レチナール色素がより複雑なクロロフィルに比べて単純であること、細胞膜内のイソプレノイド脂質と関係すること、さらに初期地球の古代堆積物中に古細菌の膜成分が発見されていることは、の青緑色や、後の緑色の光合成生物に先立って、紫膜をもつ生命体が早期に出現したという見方と整合する。
根拠
初期地球の古代堆積物中に古細菌の膜成分が発見されていることは、紫色地球仮説を支持する根拠とされる。これは、これらの脂質が、クロロフィルではなく原始的な集光色素である古細菌のレチナールと関連しており、大酸化事変の時期に導入されたクロロフィルに基づく光合成が出現する以前、初期地球の生物圏が紫色で、レチナールによって駆動されていた可能性を示唆するためである。
レチナールに基づく光合成の現生例 今日存在するレチナールを利用する生物の例として、高度好塩菌と総称される光合成微生物がある。多くの高度好塩菌は、レチナール誘導体タンパク質であるバクテリオロドプシンを細胞膜に含んでいる。バクテリオロドプシンは光子駆動性のプロトンポンプとして働き、膜をはさんだプロトン駆動力を生み出し、ATP合成を駆動する。この過程は炭素固定を伴わないの一形態であり、高度好塩菌の膜プロトンポンプは、光エネルギーを獲得するための、最も単純な既知の生体エネルギー系の一つを構成する。
進化史
紫色および緑色のをもつ微生物は、しばしば微生物マットとして知られる成層した群体内で共存しており、太陽スペクトルの相補的な領域を利用している可能性がある。多くの環境で紫色および緑色の色素をもつ微生物が共存することは、それらの共進化を示唆している。
初期地球の生物圏は、当初、すべての緑色光を吸収するレチナール駆動性の古細菌コロニーに支配されており、その「影の中で暮らしていた」真正細菌が、残された赤色光と青色光を利用するように進化した可能性がある。しかし、ポルフィリンに基づくが進化して光合成を始めると、バクテリオクロロフィルを用いる原始的な紅色細菌と、クロロフィルを用いる藍藻の双方を含むこれらの生物により、水の分解の副産物として反応性の高い二酸素が放出されるようになった。二酸素はまず大洋に、次いで大気中に蓄積し始めた。10億年にわたって十分な量の酸素が生産されると、地表の化合物がもつ還元能力は枯渇し、かつてのは、最終的に遊離酸素分子を豊富に含む恒常的な酸化的大気となった。この出来事が大酸化事変として知られる。
これは、原生代初期に起こった約3億年にわたる全球的な氷河時代、すなわちヒューロニアン氷期と時期的に一致する。この氷期は、大酸化事変による強力な温室効果ガスである大気中メタンの酸化的な枯渇によって部分的に引き起こされた可能性もある。こうして嫌気性生物相は大きな打撃を受け、生態的地位が空いたため、抗酸化能力を進化させた真正細菌、すなわち好気性のプロテオバクテリアと光合成性の藍藻がそれを利用して繁栄することになった。また、生き残った嫌気性生物は、や深海のだけに生息するか、好気性生物との共生生活に適応することを余儀なくされた。好気性生物のコロニーは、ときに遊離酸素を十分に消費して、嫌気性生物が繁栄できる貧酸素の局所環境を作ることがあった。このことは、嫌気性古細菌と、後にミトコンドリアへと進化した好気性真正細菌との長期的な細胞内共生への道を開き、真核生物の進化を可能にした可能性がある。
しかし、クロロフィルがポルフィリンに基づく性質をもつことは、一種のを作り出した。すなわち、クロロフィルをもつ生物は、エネルギーに富み、かつ利用可能になっていた緑色光を吸収するように再適応できず、その結果として緑色光を反射し、緑色に見えるようになった。その後、より進んだクロロフィル型生物、特に緑藻と初期の植物が陸上へ進出して成功したことにより、地球全体には緑色の生物圏が形成された。
宇宙生物学への含意 宇宙生物学者は、レチナール色素が生命存在指標、すなわち太陽系外惑星上の地球外生命を遠隔から検出できる徴候になりうると示唆している。歴史的には、科学者はクロロフィルの存在が示唆されることから、光合成生物の存在しうる惑星として、緑黄色領域の光を反射する惑星を探してきた。紫色地球仮説は、レチナールに基づく光合成の進化も起こりうる、あるいはクロロフィル型システムの進化よりもさらに起こりやすい可能性があるため、探索手法を青色光および赤色光を反射する惑星にまで広げるべきであることを示唆している。
関連項目
バクテリオロドプシン：高度好塩菌が光エネルギーを獲得するために用いるプロトンポンプ。 ：およびに見られる、レチナールを含むの一群。 退屈な10億年：原生代の後半にあたる時期で、海がターコイズブルーだった可能性がある。 レッドエッジ
参照
外部リンク Colorful Worlds: Plants on Other Planets Might Not Be Green PBS Eons: When the Earth was purple CNN Colorscope-When life on Earth began, it was purple