2 tygodni temu
Środowiska wodne ery archaicznej, zdominowane przez zielone światło, odegrały kluczową rolę w ewolucji systemów absorpcji światła przez sinice. Badania zespołu naukowców z Japonii, opublikowane w Nature Ecology & Evolution, wykazały, iż obecność w wodzie utlenionych związków żelaza (Fe(III)) prowadziła do powstawania specyficznego widma świetlnego, co wymusiło adaptację organizmów fotosyntetyzujących do nowych warunków.
Trzy okna świetlne w historii Ziemi
Ziemska fotosynteza przechodziła przez trzy dominujące etapy: okno niebieskiego światła (przed pojawieniem się sinic), okno zielonego światła (w erze archaicznej) i okno światła białego (po Wielkim Wydarzeniu Utleniania – GOE). Utlenianie środowiska wodnego oraz powstanie warstwy ozonowej spowodowały zmianę spektrum światła docierającego do organizmów fotosyntetyzujących. Sinice, pierwotnie wyspecjalizowane w wykorzystaniu zielonego światła, musiały dostosować swój system antenowy do nowych warunków.
Dominacja zielonego światła w środowisku wodnym
Symulacje numeryczne przeprowadzone przez badaczy wykazały, iż w wyniku utleniania żelaza (Fe(II)) przez sinice i inne bakterie zdolne do wykorzystywania światła do tego procesu dochodziło do powstawania cząstek wodorotlenku żelaza (Fe(OH)₃), które skutecznie absorbowały światło UV i niebieskie, przepuszczając głównie długości fal w zakresie 500–600 nm. Zjawisko to prowadziło do powstania tzw. okna zielonego światła, szczególnie intensywnego na granicy stref tlenowych i beztlenowych – zwykle na głębokościach 20–50 m, zgodnie z modelami przy stężeniu Fe(OH)₃ rzędu 10 µM.
Ewolucyjna odpowiedź sinic na nowe warunki
W odpowiedzi na nowe warunki świetlne sinice rozwinęły fikobilisomy – złożone struktury antenowe, zbudowane z trzech głównych fikobiliprotein: allofikocyjaniny (APC), fikocyjaniny (PC) i fikoerytryny (PE). Szczególnie istotną rolę odegrała fikobilina – fikoerytrobilina (PEB) absorbująca zielone światło i przekazująca energię do chlorofilu a (Chl a) poprzez PC i APC. Analizy filogenetyczne potwierdziły, iż wspólny przodek współczesnych sinic posiadał wszystkie najważniejsze elementy tego systemu.
Eksperymentalne potwierdzenie roli PEB
W warunkach laboratoryjnych porównano wzrost dwóch gatunków sinic: Gloeobacter violaceus PCC 7421 (posiadający PE, PC i APC) oraz Synechococcus elongatus PCC 7942 (pozbawiony PE). Gloeobacter violaceus rósł równie dobrze w świetle białym i zielonym, podczas gdy S. elongatus wykazywał wyraźne spowolnienie wzrostu przy ekspozycji na zielone światło. Co więcej, inżynieria genetyczna umożliwiła stworzenie transformantów S. elongatus (PebAB-MX i PebAB-OX), zdolnych do syntezy PEB. Komórki te, mimo braku PE, efektywnie absorbowały zielone światło i wykazywały przewagę wzrostową w warunkach imitujących środowisko archaiczne.
Zielone światło jako czynnik selekcyjny
Zielone spektrum świetlne, powstające na skutek obecności Fe(OH)₃, stanowiło presję selekcyjną faworyzującą sinice zdolne do absorpcji tych długości fal. Transfer energii z PEB do Chl a, realizowany przez PC i APC, był wysoce efektywny. Obliczenia odległości Förstera oraz sprzężeń elektronowych wykazały, iż pigmenty fikobilinowe, takie jak PEB, mają wyraźnie wyższą sprawność transferu energii niż inne barwniki, np. β-karoten.
Znaczenie ewolucji fikobilisomów
Ewolucja fikobilisomów była odpowiedzią na środowiskowe uwarunkowania świetlne. Dzięki rozwojowi pigmentów, takich jak PEB, sinice uzyskały zdolność efektywnego wykorzystywania zielonego światła, co zapewniło im przewagę adaptacyjną i umożliwiło kolonizację zróżnicowanych środowisk wodnych. Przystosowanie się pigmentów do zmieniającego się widma świetlnego miało wpływ nie tylko na ewolucję organizmów, ale również na globalne zmiany geochemiczne.
Wnioski
Badanie sugeruje, iż środowiska zielonego światła były istotnym czynnikiem kształtującym ewolucję wczesnych sinic. Zdobycie umiejętności efektywnego wykorzystywania go poprzez rozwój fikobilisomów zapewniło im przewagę ewolucyjną, umożliwiając przetrwanie i ekspansję w zróżnicowanych środowiskach wodnych. Wyniki badania stanowią istotny wkład w zrozumienie wczesnej ewolucji życia i fotosyntezy na Ziemi.
