[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出，蓝细菌的紫外吸收色素——类孢菌素氨基酸（MAAs）和鞘藻素（scytonemins）——主要演化为在原始地球太阳光谱下优化光子耗散，而非光保护。这些色素的吸收峰与地球地表太阳光谱随时间的演化相吻合，支持一种热力学模型：生命演化由通过从UVC到可见光波段高效耗散光子所产生的熵产生所驱动。

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.

研究动机与目标

• 挑战关于蓝细菌中紫外吸收色素的传统光保护假说。
• 探究蓝细菌紫外色素的演化轨迹是否与地球地表太阳光谱的历史变化相一致。
• 评估色素演化的热力学合理性，强调熵产生与光子耗散，而非达尔文适应性。
• 分析MAAs与scytonemins的光物理与生物合成特性，以关联其光谱覆盖范围与环境功能。
• 提出色素演化源于高效耗散太阳光子的需求，以最小化反照率并最大化早期地球上熵的产生。

提出的方法

• 将MAAs与scytonemins的光物理与光化学性质与随时间演化的地球地表太阳光谱进行比较。
• 将色素吸收光谱（例如，scytonemin在275–325 nm处的吸收谷及约250 nm和约380 nm处的吸收峰）与原始地球太阳光谱进行分析。
• 应用非平衡热力学与普里高津的耗散结构理论，将色素演化建模为对太阳光子通量的响应。
• 利用表1和图5的光谱数据，将色素吸收峰在紫外与可见光区域的分布进行映射。
• 评估色素向环境释放作为对光保护作用的反驳证据。
• 整合生物合成途径（糖类与芳香族氨基酸代谢）以追溯色素谱系的演化起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 蓝细菌紫外吸收色素的演化主要服务于光保护还是光子耗散？
• RQ2 MAAs与scytonemins的吸收峰如何与地球地表太阳光谱的历史演化相关联？
• RQ3 有哪些证据支持热力学耗散理论，而非光保护假说，以解释色素演化？
• RQ4 为何许多紫外吸收色素吸收范围超出光合作用活性辐射（PAR）区域，其功能角色是什么？
• RQ5 像scytonemin与MAAs这样的色素的光谱特性在多大程度上反映了对全光谱光子耗散的互补系统？

主要发现

• MAAs与scytonemins的吸收峰与地球地表太阳光谱随时间的演化，特别是原始地球富含UVC的光谱，高度一致。
• Scytonemin在约220至约700 nm范围内具有宽广的吸收谱带，且在275–325 nm区间存在吸收谷，其形状与原始地球太阳光谱极为接近。
• 这些色素的光谱覆盖范围从UVC延伸至可见光，表明其演化目的为耗散全部入射太阳光谱，而非保护细胞组分。
• 诸如球囊菌素（gloeocapsin）和pterin类化合物等色素，尽管在化学结构上与MAAs和scytonemins不同，但其吸收范围也延伸至光合色素或水无法覆盖的区域，支持其耗散功能。
• 色素向环境释放的事实削弱了光保护假说，因为此类释放无法保护产生该色素的细胞。
• 综合数据支持范式转变：生物演化由优化光子耗散与熵产生驱动，而非由最大化生物体适应性或光合效率驱动。