[論文レビュー] Properties of cyanobacterial UV-absorbing pigments suggest their evolution was driven by optimizing photon dissipation rather than photoprotection

Aleksandar Simeonov, Karo Michaelian|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2017

Biocrusts and Microbial Ecology被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、藍細菌のUV吸収色素—マイコスポリン酸様アミノ酸（MAAs）およびシトネミン—が、光子の散逸を最適化するために進化したのではなく、原始地球の太陽スペクトルに適応するためのものであると提唱する。色素の吸収最大値は、地球の表面太陽スペクトルの時間的変化と一致しており、UVCから可視光域にわたる効率的な光子散逸を通じてエントロピー生成を促進するという熱力学的モデルを支持している。

ABSTRACT

An ancient repertoire of UV absorbing pigments which survive today in the phylogenetically oldest extant photosynthetic organisms the cyanobacteria point to a direction in evolutionary adaptation of the pigments and their associated biota from largely UVC absorbing pigments in the Archean to pigments covering ever more of the longer wavelength UV and visible in the Phanerozoic.Such a scenario implies selection of photon dissipation rather than photoprotection over the evolutionary history of life.This is consistent with the thermodynamic dissipation theory of the origin and evolution of life which suggests that the most important hallmark of biological evolution has been the covering of Earths surface with organic pigment molecules and water to absorb and dissipate ever more completely the prevailing surface solar spectrum.In this article we compare a set of photophysical photochemical biosynthetic and other germane properties of the two dominant classes of cyanobacterial UV absorbing pigments the mycosporine like amino acids MAAs and scytonemins.Pigment wavelengths of maximum absorption correspond with the time dependence of the prevailing Earth surface solar spectrum and we proffer this as evidence for the selection of photon dissipation rather than photoprotection over the history of life on Earth.

研究の動機と目的

• 藍細菌におけるUV吸収色素の従来の光保護仮説に挑戦すること。
• 藍細菌のUV吸収色素の進化経路が、地球の表面太陽スペクトルの歴史的変化と一致するかどうかを調査すること。
• ダーウィニズム的適応度よりもエントロピー生成と光子散逸に重きを置いた色素進化の熱力学的根拠を評価すること。
• MAAsおよびシトネミンの光物理学的および生合成的性質を、そのスペクトル的カバレッジと環境的機能と関連付けて分析すること。
• 色素進化が、初期地球における太陽光子の効率的散逸、アルベドの低減、エントロピー生成の最大化というニーズに起因していたと提唱すること。

提案手法

• MAAsおよびシトネミンの光物理学的・光化学的性質を、時間的に変化する地球の表面太陽スペクトルと比較すること。
• スケアトネミンの275–325 nmの谷と約250 nmおよび約380 nmの最大値といった吸収スペクトルを、原始地球の太陽スペクトルと照合すること。
• 非平衡熱力学およびプリゴジンの散逸構造理論を応用し、色素進化を太陽光子フラックスへの反応としてモデル化すること。
• 表1および図5のスペクトルデータを用いて、UVおよび可視領域における色素吸収最大値をマッピングすること。
• 環境への色素放出を、光保護機能の否定的証拠として評価すること。
• 糖および芳香族アミノ酸代謝を含む生合成経路の統合により、色素系統の進化的起源を追跡すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 藍細菌のUV吸収色素の進化は、主に光保護のためであったのか、それとも光子散逸のためであったのか？
• RQ2 MAAsおよびシトネミンの吸収最大値は、地球の表面太陽スペクトルの歴史的進化とどのように相関するか？
• RQ3 色素進化を説明するにあたり、光保護仮説よりも熱力学的散逸理論を支持する証拠は何か？
• RQ4 多くのUV吸収色素が光合成活性放射域（PAR）の外側でも吸収する理由は何か？その機能的役割は何か？
• RQ5 シトネミンやMAAsのような色素のスペクトル的性質は、全波長域の光子散逸を補完的に果たすシステムとしてどの程度反映されているか？

主な発見

• MAAsおよびシトネミンの吸収最大値は、特にUVC豊富な原始地球の太陽スペクトルと一致している。
• スケアトネミンは約220〜700 nmの広範な吸収プロファイルを示し、275–325 nmの領域に谷を持つが、これは原始地球の太陽スペクトルの形状と密接に一致している。
• これらの色素のスペクトルカバレッジはUVCから可視光域にまで及び、細胞成分の保護ではなく、全入射太陽スペクトルの散逸を目的として進化した可能性を示唆している。
• グレオカプシンやペルリチン系化合物といった、MAAsおよびシトネミンとは化学的に異なる色素も、光合成色素や水がカバーしない領域で吸収を示しており、散逸機能を支持する。
• 色素が環境に放出されることにより、光保護仮説は揺るがされる。なぜなら、そのような放出は生産細胞自身を保護しないからである。
• 総合的なデータは、パラダイムシフトを支持する：生物の進化は、生物の適応度や光合成効率を最大化することではなく、光子散逸とエントロピー生成を最適化することによって駆動されている。