パープルアース仮説

306日前原文(en.wikipedia.org)

概要

Purple Earth仮説 は、初期地球の生命が レチナール色素 を使った光合成に基づいていたという提案。この仮説では、地球の表面が紫色に見えていた可能性。 Haloarchaea などの現生生物が、その証拠とされる。 進化史 や 大気組成の変動 との関連も議論。 宇宙生物学 への影響として、紫色のバイオシグネチャー探査の可能性が示唆。

Purple Earth仮説の概要

Purple Earth Hypothesis (PEH) は、2007年に Shiladitya DasSarma によって提唱された仮説。
初期地球の 最初の光合成生物 が、複雑なクロロフィルではなく、 単純なレチナール色素 を利用したという内容。
レチナールは 緑-黄色領域の光を吸収 し、 赤と青の光を反射 するため、地球表面が 紫色（マゼンタ色） に見えていた可能性。
クロロフィルは 赤と青の光を吸収 し、 緑色の光を反射 するため、現在の植物のような 緑色の地球 が形成。
Archean紀（約35億～24億年前）、大酸化イベントやヒュロニアン氷河期以前の時代に該当。

レチナール色素と現存生物

Haloarchaea などの現生微生物が、 レチナール誘導体タンパク質（バクテリオロドプシン） を持つ例。
バクテリオロドプシンは 光駆動のプロトンポンプ として機能し、 ATP合成 を駆動。
この仕組みは 酸素を発生しない光合成（嫌気的光合成） であり、 炭素固定を伴わない単純なエネルギー獲得法。
古細菌膜成分 が初期地球の堆積物から発見されており、PEHを支持する証拠とされる。

進化史と光合成色素の競争

紫色色素（レチナール） と 緑色色素（クロロフィル） を持つ微生物が、 微生物マット 内で共存。
- 光スペクトルの使い分け が進化的共存をもたらした可能性。
初期の紫色微生物が 緑色光を吸収 し、残された 赤・青光 を使って進化したのがクロロフィル系の生物。
クロロフィル系の光合成生物が出現し、 酸素発生型光合成 が始まると、 大気中酸素濃度が上昇。
大酸化イベント と ヒュロニアン氷河期 により、 嫌気性生物の大部分が絶滅。
生き残った嫌気性古細菌は、 無酸素環境や好気性生物との共生 へ適応。
- ミトコンドリアの起源 となる共生進化の可能性も。

クロロフィル進化の「罠」と生物圏の変遷

クロロフィルの ポルフィリン骨格 は複雑で、 緑色光の吸収が困難 な進化的制約（進化の罠）。
より高度な 緑藻類や植物 が陸上進出し、 地球全体が緑色の生物圏 へ変化。

宇宙生物学への示唆

レチナール色素 は、 遠隔観測可能なバイオシグネチャー となりうる。
従来は 緑-黄色光の反射 を持つ惑星を生命探査の候補としてきたが、PEHにより 青・赤光の反射 も注目すべき対象。
レチナール系光合成 が、クロロフィル系よりも進化しやすい可能性も指摘。

参考文献・メディア

DasSarma, Shiladitya他による学術論文
PBS Eons「When the Earth was purple」
CNN Colorscope「When life on Earth began, it was purple」

Hackerたちの意見

ジミーの言う通り、地球は紫の霧に包まれてたんだ。酸じゃなくて、網膜ベースの光合成生物から来てたんだけどね。

└

面白い事実だけど、初期の手書きの歌詞は「紫の霧、イエスが救う…」だったんだ。水の下を歩いてる夢の記憶なんだって。酸との関連は、聴衆の解釈によるものが大きいね。

「網膜を含む細胞膜は、可視光スペクトルのエネルギーが豊富な緑黄色の領域に中心を持つ単一の光吸収ピークを示すが、赤と青の光を透過・反射し、マゼンタ色になる。」なんでどの植物も両方使って、もっと効率よく光を利用する進化をしなかったんだろう？これらの植物は暗く見えるか、ほぼ黒に見えるかもしれないね。言ってみれば、他の緑の植物の間で生き延びることができるかも。「しかし、クロロフィルのポルフィリンベースの性質が進化の罠を作り出し、クロロフィル生物はエネルギーが豊富で今利用可能な緑の光を再適応できなくなり、その結果、緑がかった色を反射・呈示することになった。」うん、でもなんで？

└

私の理解では、これはまだ議論されている問題だね。一つの理論は、水の蒸発に関すること。水の蒸発が熱的限界を超える可能性のある光分子効果があるんだって（https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2312751120）。でも、黒い植物も存在するよ！それらも同じような質問のために研究されてる。例えば、「黒色素葉の機能的意義：オフィオポゴン・プラニスカプス‘ニグレスケンス’における光合成、光保護、そして生産性」（https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3691134/）

└

限られたオンライン調査に基づくいくつかの異なるスレッド：1. 全ての光スペクトルを吸収すると、生物が扱える以上のエネルギーを提供することになる。エンジンを動かすためにガスが必要で、全スペクトルはジェット燃料を提供する。2. 現在の主要な植物種は、下草から進化した。元々の植物は緑だけを吸収していたから、下草は残された他のスペクトルを吸収するように進化した。日光が不足していた惑星規模の絶滅イベントがいくつかあった後、より広いスペクトルを吸収できることが成功した進化的特性になったんだ。3. 放射線をエネルギー源として吸収するためにメラニンを使う菌類の種もあるし、見た目は黒い。

└

水を分解して自由酸素を生成できる光合成生物は、赤と紫の光だけを吸収するクロロフィルaを使っていて、青緑色になるんだ。これは一部の地衣類やシアノバクテリアで見られるけど、ほとんどは他の太陽スペクトルの部分を吸収する補助色素を持っていて、そのエネルギーをクロロフィルaに転送する。浅い水にだけ生息する緑藻と陸上植物は、補助色素としてクロロフィルbだけを使っていて、これはクロロフィルaとは異なる赤の光のバンドと青の光を吸収し、緑色になる。この程度で緑藻や陸上植物には十分なんだ。彼らが住んでいる場所には光が豊富だからね。陸上植物にとっての問題は、光が多すぎることで、木の影で育つ植物を除いてはね。一方で、ほとんどの海藻は太陽スペクトルの多くを吸収する補助色素を使っているから、クロロフィルの色は見えなくなって、赤や黄色、茶色、さらには非常に暗い茶色のような色になる。これにより、そういった藻類は水の深いところでも生きられるんだ。水の中には、ほぼ全ての光が捕らえられる場所がたくさんあって、複数の藻類やバクテリアの層がそれぞれ太陽スペクトルの一部を吸収している。近赤外線の光も、酸素を生成しない底層のバクテリアによって吸収されるんだ。なぜなら、赤外線フォトンのエネルギーは水を分解するには不十分だから。

└

うん、でもなんで？科学的な文章スタイルは、未知のことを強調するのがあまり得意じゃないんだ。「これがわからない」っていうのは、あまり説得力のあるテキストにならないから、みんなそれを正面から認めるのを避けがちなんだ。でも、もちろん、君が聞くのは正しいよ。別のコメントでも言われてたけど、これはオープンな質問なんだ。一つの理論は、水に浮かぶ藻類が広いスペクトルを吸収している間に、水の底に付着している藻類がスペクトルの端に残ったものを捕らえるためにクロロフィルに進化したというもの。で、その後、陸上の植物はすでに底に付着していた水中の植物から進化したんだ。でも、なんで今の海に浮かぶ藻類も緑なの？http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/imgbio/pl... 別の理論は、完全に吸収する葉は何らかの形でエネルギーを吸収しすぎて過熱してしまうから、利用可能な光の一部だけを吸収する方が良いというもの。どの理論も完全には納得できないから、質問はまだオープンなままだね。

└

進化は光合成を改善するために数十億年もかけてきたけど、まだまだ改善の余地があるみたいだね。もっと効率的な光合成を作り出せるかな？

└

「どうしてどの植物も両方使って、光をより効率的に利用する進化をしなかったのかな。そういう植物は暗く見えるか、ほぼ黒に見えるかもしれない。多くの海藻がその説明に当てはまると思うけど、加工なしで自然に黒っぽいものはあるのかな。確かに、いくつかは茶色だけど。」

└

先週同じ質問をしたら、いい回答がいくつかもらえたよ。 - 陸上植物は緑藻から進化したんだって。他にも光合成をする藻類は色々あるし、赤や青を吸収する利点は、近くの赤藻（緑を吸収する）との競争を避けるためか、青い光がより深く届くからかもしれない。 - 大事なのは、できるだけエネルギーを捕まえることじゃなくて、反応に必要なエネルギーをオーバーもアンダーもせずに反応中心にルーティングすることなんだ。これには一つの吸収ピークよりも二つの方が効果的みたい（詳しくはここに: https://www.quantamagazine.org/why-are-plants-green-to-reduc...）。クロロフィルの吸収ピークは、互いに適度に離れていて、太陽が出す可視光（つまり最もエネルギーのある）スペクトルにほぼ中心を合わせてる。 - 可視スペクトルの緑-黄の領域が最もエネルギーがあるっていう考えは、誤解でないにしても、もっと複雑なことがあるみたい（https://www.oceanopticsbook.info/view/light-and-radiometry/l...）。

└

実はこれ、見た目以上に謎なんだよね。緑の部分が最もエネルギーがあるから。どこかで読んだんだけど、光合成はフリーラジカルの対処で部分的に制限されていて、ピークの光フラックスでは、多くの植物が光捕捉複合体が作る一原子酸素種によってダメージを受けることがあるんだって。だから、緑の光を反射する色素が必要なんだよ。記事: https://www.quantamagazine.org/why-are-plants-green-to-reduc...

└

大半の緑の反射は錯覚なんだ。人間の網膜は緑の光を赤の25倍も増幅するから（緑の5mwレーザーと赤を比べてみて）。でも、葉っぱは緑の光を吸収することもあるよ。実際には、緑の光は約75%吸収されて、非緑の光は85%吸収されるんだ。詳しくはここを見てね: https://www.researchgate.net/figure/Reflectance-spectra-of-g...

└

オスミンバジルってどうかな？

クロロフィルが緑で、太陽が緑の周波数でピークの明るさを持つのは単なる偶然だと思う？それとも、クロロフィルがそれだけで勝ったのかな？

└

生物の全ドメインの他のニッチでは、いろんな戦略が同時に試されてきたけど、通常は一つの結果が支配的になることが多いね。

└

クロロフィルは緑の光を反射するから、これらの周波数を使わないんだよね。もしかしたら、だから網膜の光合成が最初に進化したのかもしれないね。

そういえば、昔の世界は紫色だったかもしれないんだね…それってすごく面白い！

今の木々にそういうのは見られるのかな？近くに紫の葉を持つ梅の木があるけど、記事には載ってなかったね…

└

いや、それはただの色素だよ。まだクロロフィルは含まれてる。日が当たる葉っぱは赤みがかることが多いけど、フル効率で動作するためにはクロロフィルが少なくて済むからなんだ。日陰の葉っぱはもっと暗くなることがあるけど、そっちはクロロフィルが多く必要だから（つまり、色素とクロロフィルが一緒に視覚スペクトルのほとんどを吸収することになる）。

このページによると、その理論は2007年に初めて提案されたみたいだけど、2003年に大学で聞いた記憶があるな。

└

別の理論の記事でも似たようなことがあったな。記事が出る前からその存在を知ってたけど、証明するための一次資料しか持ってなかったんだ。二次資料じゃないから記事を修正できなくて、トークページに書いたんだけど、今そのトークページが消されちゃって、記事はまだ起源について間違ったままだよ。

└

1970年代にこれについて読んだ記憶があるけど、Scientific Americanだったかな？今はその記事が見つからないんだよね。

組み立て理論について考えてみると、可能な説明が見えてくるかも。OPは網膜の方がシンプルだって言ってるけど、実際にはかなり基本的で有機的なんだよね。一方で、クロロフィルは中心にマグネシウムが一つあるクロリンの「ネット」を持ってるから、作るのはかなり難しそうだよね！

Wikipediaを維持して、記事を作るために頑張ってる人たちにもっと感謝しないといけないよね。政治的・社会的な影響が一部の記事に入り込んできてるのは残念だけど、全体としては人類にとって本当に素晴らしい恩恵だと思う。

PBS Eonsにこの件についてのエピソードがあるよ。「地球が紫だった頃」ってやつ。https://m.youtube.com/watch?v=IIA-k_bBcL0（このチャンネルはすごくいい科学チャンネルだよ。PBSは連邦資金をもっと受け続けるべきだった。）

ハクソク