فرضیه زمین ارغوانی

تصویری هنرمندانه از زمین در اوایل آرکئن، با هیدروسفر و منطقهٔ ساحلی متمایل به ارغوانی

کشت ارغوانی هالوارکئا (چپ) و اجزای غشایی ارغوانی و قرمزِ جداشده (راست)

فرضیهٔ زمین ارغوانی (PEH) یک فرضیهٔ اخترزیست‌شناختی است که نخستین بار در سال ۲۰۰۷ توسط زیست‌شناس مولکولی، شیلا دیتیا داس‌سارما، مطرح شد. بر اساس این فرضیه، نخستین شکل‌های حیات فتوسنتزی در زمین آغازین به‌جای کلروفیل پیچیده‌تر و مبتنی بر پورفیرین، بر مولکول ساده‌تر رتینال متکی بودند و در نتیجه، زیست‌کرهٔ سطح زمین به‌جای رنگ سبز امروزی، ظاهری ارغوانی داشته است. برآورد می‌شود این وضعیت بین ۳٫۵ تا ۲٫۴ میلیارد سال پیش، در دوران آرکئن، یعنی پیش از رویداد بزرگ اکسیژنی‌ و یخبندان هورونی، وجود داشته است.

غشاهای سلولی حاوی رتینال دارای یک قلهٔ منفرد جذب نور در ناحیهٔ سبز-زردِ سرشار از انرژی در طیف مرئی هستند، اما نور قرمز و آبی را عبور می‌دهند و بازتاب می‌کنند؛ در نتیجه رنگی ارغوانی ایجاد می‌شود. در مقابل، رنگدانه‌های کلروفیل نور قرمز و آبی را جذب می‌کنند، اما نور سبز را بسیار اندک یا اصلاً جذب نمی‌کنند؛ همین امر موجب بازتاب سبز مشخصهٔ گیاهان، سیانوباکتری‌ها، جلبک‌های سبز و دیگر جاندارانی می‌شود که دارای اندامک‌های کلروفیلی هستند. سادگی رنگدانه‌های رتینال در مقایسه با کلروفیل پیچیده‌تر، ارتباط آنها با لیپیدهای ایزوپرنوئیدی در غشای سلولی، و همچنین کشف اجزای غشایی آرکیایی در رسوبات باستانیِ زمین آغازین، با ظهور زودهنگام شکل‌های حیات دارای غشاهای ارغوانی، پیش از شکل‌گیری رنگ فیروزه‌ای اقیانوس کنفیلد و سپس جانداران فتوسنتزی سبز، سازگار است.

شواهد

کشف اجزای غشایی آرکیایی در رسوبات باستانی زمین آغازین از فرضیه زمین ارغوانی پشتیبانی می‌کند؛ زیرا این لیپیدها با رتینال آرکیایی، یعنی یک رنگدانهٔ ابتداییِ جذب‌کنندهٔ نور، مرتبط هستند و نه با کلروفیل. این موضوع نشان می‌دهد که زیست‌کرهٔ زمین آغازین احتمالاً ارغوانی بوده و پیش از ظهور فتوسنتز مبتنی بر کلروفیل، که در جریان رویداد بزرگ اکسیژنی پدیدار شد، انرژی خود را از رتینال تأمین می‌کرد.

نمونه‌های امروزی فتوسنتز مبتنی بر رتینال

آبگیرهای نمکی خلیج سان‌فرانسیسکو با هالوارکئاهای صورتی‌رنگ

نمونه‌ای از جانداران مبتنی بر رتینال که امروزه وجود دارند، میکروب‌های فتوسنتزی‌ای هستند که در مجموع با نام هالوارکئا شناخته می‌شوند. بسیاری از هالوارکئاها دارای پروتئین مشتق رتینال، یعنی باکتریورودوپسین، در غشای سلولی خود هستند. این پروتئین پمپ پروتون وابسته به فوتون را انجام می‌دهد، گرادیان پروتون‌محرکی در دو سوی غشا ایجاد می‌کند و ای‌تی‌پی سنتاز را به حرکت درمی‌آورد. این فرایند نوعی فتوسنتز بی‌هوازی است که شامل تثبیت کربن نمی‌شود و پمپ پروتون غشای هالوارکئایی یکی از ساده‌ترین سامانه‌های شناخته‌شدهٔ زیست‌انرژتیکی برای برداشت انرژی نور به شمار می‌رود.

تاریخچهٔ تکاملی

میکروارگانیسم‌های دارای رنگدانه‌های نوری ارغوانی و سبز اغلب در کلنی‌های لایه‌لایه‌ای به نام بستر میکروبی همزیستی دارند؛ جایی که می‌توانند از نواحی مکمل طیف خورشیدی استفاده کنند. همزیستی میکروارگانیسم‌های دارای رنگدانه‌های ارغوانی و سبز در بسیاری از محیط‌ها نشان‌دهندهٔ امکان هم‌تکاملی آنهاست.

این احتمال وجود دارد که زیست‌کرهٔ زمین آغازین در ابتدا تحت سلطهٔ کلنی‌های آرکیاییِ متکی بر رتینال بوده باشد؛ کلنی‌هایی که تمام نور سبز را جذب می‌کردند و در نتیجه، یوباکتری‌هایی که «در سایهٔ آنها زندگی می‌کردند»، به‌سمت تکامل و استفاده از باقی‌ماندهٔ طیف نور قرمز و آبی سوق یافته باشند. با این حال، هنگامی که فتواتوتروف‌های مبتنی بر پورفیرین تکامل یافتند و شروع به فتوسنتز کردند ــ از جمله باکتری‌های ارغوانی ابتداییِ دارای باکتریوکلروفیل و سیانوباکتری‌های دارای کلروفیل ــ دی‌اکسیژن بسیار واکنش‌پذیر به‌عنوان محصول جانبی شکافت آب آزاد شد و شروع به انباشته‌شدن کرد؛ ابتدا در اقیانوس و سپس در جو. در طول یک میلیارد سال، اکسیژن به مقدار کافی تولید شد تا توانایی کاهندگی ترکیبات شیمیایی موجود در سطح زمین مصرف شود و جو کاهندهٔ آن زمان سرانجام به جوی دائماً اکسیدکننده با مقادیر فراوان مولکول‌های آزاد اکسیژن تبدیل شود؛ رویدادی که به نام رویداد بزرگ اکسیژنی‌ شناخته می‌شود.

این رویداد با یک عصر یخبندان جهانی ۳۰۰ میلیون ساله در آغاز پروتروزوییک، یعنی یخبندان هورونی، هم‌زمان بود. این یخچال‌زایی ممکن است تا حدی در اثر کاهش اکسیداتیو متان جوی، یک گاز گلخانه‌ای نیرومند، به‌دلیل رویداد بزرگ اکسیژنی‌شدن نیز ایجاد شده باشد. این شرایط زیست‌تودهٔ بی‌هوازی را به‌شدت نابود کرد و جایگاه بوم‌شناختی را برای بهره‌برداری و گسترش یوباکتری‌هایی که توانایی‌های آنتی‌اکسیدانی تکامل داده بودند، باز گذاشت؛ از جمله پروتئوباکتری‌های هوازی و سیانوباکتری‌های فتوسنتزی.

این وضعیت همچنین بی‌هوازی‌های باقی‌مانده را وادار کرد یا تنها در آب‌های بدون اکسیژن و منطقهٔ کمینهٔ اکسیژن در ژرفای دریا زندگی کنند، یا با سازگاری برای یک زندگی همزیستی در میان هوازی‌ها به حیات خود ادامه دهند. کلنی‌های هوازی گاهی آن‌قدر اکسیژن آزاد را مصرف می‌کردند که نواحی کوچکی از کم‌اکسیژنی ایجاد می‌شد و بی‌هوازی‌ها می‌توانستند در آنها رشد کنند. این فرایند ممکن است زمینه‌ساز درون‌همزیستی بلندمدت میان آرکی‌های بی‌هوازی و یوباکتری‌های هوازی شده باشد؛ یوباکتری‌هایی که بعدها به میتوکندری تبدیل شدند و امکان تکامل یوکاریوت‌ها را فراهم کردند.

با این حال، ماهیت مبتنی بر پورفیرین کلروفیل یک تله فرگشتی ایجاد کرده بود؛ به‌گونه‌ای که جانداران کلروفیلی نمی‌توانستند دوباره برای جذب نور سبزِ سرشار از انرژی و اکنون در دسترس سازگار شوند و در نتیجه، این نور را بازتاب می‌دادند و رنگی متمایل به سبز نشان می‌دادند. موفقیت بعدی جانداران کلروفیلی پیشرفته‌تر، به‌ویژه جلبک‌های سبز و نخستین گیاهان، در استعمار محیط‌های خشکی موجب شکل‌گیری یک زیست‌کرهٔ عمدتاً سبز در سراسر زمین شد.

پیامدها برای اخترزیست‌شناسی

اخترزیست‌شناسان پیشنهاد کرده‌اند که رنگدانه‌های رتینال ممکن است به‌عنوان یک زیست‌نشانگر عمل کنند؛ یعنی نشانه‌ای از حیات فرازمینی که بتوان آن را از راه دور بر روی سیارات فراخورشیدی شناسایی کرد.

از نظر تاریخی، دانشمندان به‌دنبال سیاراتی بوده‌اند که نور را در محدودهٔ سبز-زرد بازتاب می‌کنند و آنها را میزبانان احتمالی جانداران فتوسنتزی می‌دانستند؛ زیرا وجود چنین بازتابی به‌عنوان نشانه‌ای از حضور کلروفیل در نظر گرفته می‌شد. فرضیهٔ زمین ارغوانی پیشنهاد می‌کند که روش‌های جست‌وجو باید به سیاراتی که نور آبی و قرمز را بازتاب می‌کنند نیز گسترش یابد؛ زیرا تکامل فتوسنتز مبتنی بر رتینال نیز محتمل است و حتی ممکن است از تکامل سامانه‌های کلروفیلی محتمل‌تر باشد.

جستارهای وابسته

• میلیارد سال خسته‌کننده