光合作用可能和生命本身一样古老

©伦敦帝国理工学院

水表面的蓝藻细菌

研究人员发现,最早的细菌拥有完成光合作用关键一步的工具,改变了我们对地球上生命进化的看法。

该发现也挑战了对生活在其他行星上的发展方向发展的挑战。产生氧气的光合作用的演变被认为是复杂生命最终出现的关键因素。这被认为需要数十亿年来发展,但如果实际上,如果最早的生活可以做到这一点,那么其他行星可能比以前想到的比例更早地发展了复杂的生活。

由伦敦帝国学院的科学家领导的研究团队追溯了光合作用所需的关键蛋白质的演变,可能是地球上细菌生命的起源。他们的结果是在BBA - 生物能器中公布和自由携带的。

首席研究员Tanai Cardona博士来自帝国理工学院生命科学系,他说:“我们之前已经证明,用于生产氧气的生物系统,即光系统II,非常古老,但直到现在我们还不能将其列入生命历史的时间轴上。”现在,我们知道光系统II显示的进化模式通常只归因于最古老的已知酶,这对生命本身的进化至关重要。”

光合作用将阳光转化为能量,有两种形式:一种产生氧气,另一种不产生氧气。产生氧气的形式通常被认为是后来进化的,特别是在大约25亿年前蓝藻(或蓝绿藻)出现之后。

虽然一些研究表明氧气产生的口袋(含氧)光合作用可能已经存在,但它仍被认为是一种创新,占据了至少几十亿年来在地球上发展。

这项新的研究发现,能够进行含氧光合作用关键过程的酶——将水分解成氢和氧——实际上可能存在于一些最早的细菌中。地球上存在生命的最早证据超过34亿岁,一些研究表明,最早的生命可能超过40亿岁。

就像眼睛的进化一样,第一个版本的氧气光合作用可能非常简单和低效;由于最早的眼睛只能感知光,早期的光合作用可能非常低效和缓慢。

在地球上,细菌需要十亿多年来,完善导致蓝藻演变的过程,为动物和植物征服土地的20亿多年。然而,即在其他环境中如此早期地存在氧气产量,例如在其他行星上,复杂生活的过渡可能会更少的时间。

该团队通过追踪负责分裂水的关键光合作用蛋白的“分子时钟”来发现他们的发现。该方法通过观察已知的进化矩之间的时间估计蛋白质的演化速率,例如当今携带这些蛋白质的不同组菌群或土地植物的出现。然后计算出的进化速率及时延长,以查看蛋白质首先进化。

将这些光合作用蛋白的进化率与其他关键蛋白质中的其他关键蛋白的进化率进行了比较,包括在体内形成能量储存分子的那些,将DNA序列转化为RNA的那些,这被认为已经在祖先之前起源于地球上的所有细胞生命。他们还将已知的事件的速率与最近发生的速度进行了比较,当时生命已经变化而且睾丸似乎已经出现了。

光合作用蛋白的进化模式与最古老的酶几乎相同,可以追溯到很久以前,这表明它们的进化方式相似。

第一个作者托马斯奥利弗,从帝国生命科学部门说:“我们使用了一种称为祖先序列重建的技术来预测祖先光合蛋白的蛋白质序列。这些序列给了我们关于祖先的照片II如何本来有效,我们能够表明光照中的氧气进化所需的许多关键部件II可以追溯到酶的演变中的最早阶段。“

了解这些关键的光合作用蛋白的进化过程,不仅有助于寻找其他星球上的生命,也有助于研究人员通过合成生物学找到利用光合作用的新方法。

博士博士,作为他的UKRI未来领导者奖学金的一部分领导这样的项目,说:“现在我们有一种良好的光合作用蛋白如何发展,适应变化的世界,我们可以使用”定向演变“来学习如何改变它们以产生新的化学。我们可以开发光系统,可以开展完全由光源提供的复杂的新绿色和可持续化学反应。“

'含氧光合作用的比较分子演变'由托马斯奥利弗,帕特里西亚·桑切斯 - 巴拉卡尔多,安东尼W.Larkum,A. William Rutherford和Tanai Cardona发表于BBA - 生物能器学。

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