[논문 리뷰] 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)|2017. 02. 12.

Biocrusts and Microbial Ecology인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 청색세균의 자외선 흡수성 색소—마이코스포린 유사 아미노산(MAAs)과 스이토네팅—이 주로 아르카움 태양 스펙트럼 하에서 광자 분산을 최적화하기 위해 진화했으며, 광학적 보호를 위한 것이 아니라고 제안한다. 색소의 흡수 최대값은 지구 표면 태양 스펙트럼의 시간에 따른 진화와 일치하며, 이는 생명체의 진화가 UVC에서 가시광선에 이르는 파장에서 효율적인 광자 분산을 통해 엔트로피 생성에 의해 이끌린다는 열역학적 모델을 지지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 청색세균의 자외선 흡수성 색소에 대한 전통적인 광학적 보호 가설에 도전하기 위해.
• 청색세균의 자외선 흡수성 색소의 진화적 궤적이 지구 표면 태양 스펙트럼의 역사적 변화와 일치하는지 조사하기 위해.
• 진화적 색소의 열역학적 근거를 평가하여 다윈주의적 적합도보다는 엔트로피 생성과 광자 분산에 중점을 두기 위해.
• MAAs와 스이토네팅의 광물리적 및 생합성적 특성을 그들의 스펙트럼 커버리지와 환경적 기능과 관련하여 분석하기 위해.
• 색소 진화가 태양 광자를 효율적으로 분산시켜 반사율을 최소화하고 초기 지구에서 엔트로피 생성을 최대화하기 위한 필요성에서 비롯되었다고 제안하기 위해.

제안 방법

• MAAs와 스이토네팅의 광물리적 및 광화학적 성질을 시간에 따라 변화하는 지구 표면 태양 스펙트럼과 비교하기 위해.
• 스페큘럼 분석(예: 스이토네팅의 275–325 nm 범위에서의 두드러진 곡선 낙폭 및 약 250 nm와 약 380 nm에서의 최대 흡수값)을 아르카움 태양 스펙트럼과 대조하기 위해.
• 비평형 열역학과 프리고진의 소산 구조 이론을 적용하여 태양 광자 플럭스에 대한 반응으로서 색소 진화를 모델링하기 위해.
• 표 1과 그림 5의 스펙트럼 데이터를 사용하여 자외선 및 가시광선 영역에서의 색소 흡수 최대값을 매핑하기 위해.
• 환경으로의 색소 분비를 분석하여 광학적 보호 역할에 대한 반박 근거로 삼기 위해.
• 생합성 경로(당류 및 방향족 아미노산 대사)를 통합하여 색소 계통의 진화 기원을 추적하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 청색세균의 자외선 흡수성 색소의 진화는 주로 광학적 보호를 위한 것인가, 아니면 광자 분산을 위한 것인가?
• RQ2 MAAs와 스이토네팅의 흡수 최대값은 지구 표면 태양 스펙트럼의 역사적 진화와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 색소 진화를 설명하는 데 있어 열역학적 소산 이론이 광학적 보호 가설보다 더 강력한 증거는 무엇인가?
• RQ4 왜 많은 자외선 흡수성 색소는 광합성 활성 방사선(PAR) 외부에서도 흡수하는가? 그들의 기능적 역할은 무엇인가?
• RQ5 스이토네팅과 MAAs와 같은 색소의 스펙트럼 특성이 전체 스펙트럼 광자 분산을 위한 상호보완적 시스템을 얼마나 잘 반영하고 있는가?

주요 결과

• MAAs와 스이토네팅의 흡수 최대값은 특히 아르카움 시대의 UVC가 풍부한 태양 스펙트럼과 시간에 따라 변화하는 지구 표면 태양 스펙트럼과 일치한다.
• 스이토네팅은 약 220에서 약 700 nm까지 넓은 흡수 프로파일을 보이며, 275–325 nm 범위에서 낙폭이 두드러지며, 아르카움 태양 스펙트럼의 형태와 밀도 높게 유사하다.
• 이 색소들의 스펙트럼 커버리지가 UVC에서 가시광선까지 이르며, 이는 세포 성분을 보호하기 위한 것이 아니라 전체 입사 태양 스펙트럼을 분산시키기 위해 진화했음을 시사한다.
• MAAs와 스이토네팅과 화학적으로 다를지라도, 글루코카프신과 페린 기반 화합물과 같은 색소들도 광합성 색소나 물이 커버하지 않는 영역에서 흡수를 보이며, 이는 분산 기능을 지지한다.
• 색소가 환경으로 분비되는 것은 광학적 보호 기능에 대한 가설을 뒤집는다. 왜냐하면 이러한 분비는 생산 세포를 보호하지 않기 때문이다.
• 총합된 데이터는 패러다임 전환을 지지한다: 생물학적 진화는 기관의 적합도나 광합성 효율을 극대화하기 위한 것이 아니라 광자 분산과 엔트로피 생성을 최적화하기 위한 것이다.