首页 / 知乎精选 / 正文

叶绿素怎么进化出来的?

知乎精选 2020-09-03 07:02:13

 

叶绿素的出现,用糊弄中学生的话来说,就是基因突变改变酶的结构,继而影响相关代谢产物的结果。

然而看看叶绿素的合成路径:

叶绿素怎么进化出来的?
最左端是原料,方框和数字代表反应,圆圈代表产物,找找叶绿素在哪
叶绿素怎么进化出来的?
实在找不到看这张,叶绿素循环在右下角

你告诉我这个代谢路径能一次性从无到有突变出来?

这样长的反应链不可能一蹴而就,肯定是较短的反应链延长,或几个反应链拼起来的结果。

而那这也就意味着,叶绿素合成的部分路径曾经或仍然通向其他起到生理功能的产物。

所以说,要解决叶绿素演化的问题,就是要找到这些原始的代谢路径,理清它们的功能,再分析它们为什么会延长或者凑在一起。

P.S. 这种长反应链也说明,光合作用出现时生命已经发展出大量的性状,所以它更不可能是原初生命获得能量的方式了。


1. 起点

叶绿素怎么进化出来的?
叶绿素 a,b,d 的共有结构。叶绿素有 a,b,c1,c2,d 五种,考虑到题主可能要追踪真核光合生物的演化史,以下只讨论 a,b
叶绿素怎么进化出来的?
血红素,红血球携氧的奥妙尽在于此

回想一下高中生物课本,无机盐一章里,叶绿素和亚铁血红素一同出现,两者的金属部分都固定在一个杂环化合物的中心,叶绿素是二氢卟吩,血红素则是卟啉,但是这两个环高度相似,很难不让人起疑。而研究也证明了,血红素与叶绿素的早期代谢阶段几乎别无二致,这暗示叶绿素合成路径的前身可能被用于合成其他卟啉衍生物。

叶绿素怎么进化出来的?
注意紫色框内部分,血红素(heme)与叶绿素(chlorophyll)使用了同样的早期代谢路径

能利用卟啉对早期生物有很大益处:卟啉能与一些难溶于水的金属形成络合物,增大其溶解度,因而能利用卟啉的细胞富集金属用于生理活动的能力强于不能利用的细胞;同时卟啉能通过大π键吸收短波光,在紫外线照射的远古地球上可作为重要的防辐射装置与潜在的能量来源。

但单讨论卟啉对生物的重要性还不够:生物不可能知道哪种物质好用,而专门为其生成一条合成与利用路线。卟啉还有一个好处,那就是它是“可获得的”。

叶绿素怎么进化出来的?
翅膀让鸟类得以飞翔,但鸟类不是为了飞行才进化出翅膀

模拟早期地球环境的米勒实验及紫外放射实验都生成了卟啉及尿卟啉等类似物,地质记录也观察到卟啉的痕迹,这意味着当时的生物可能有现成的卟啉可以利用。于此,整套代谢路径的第一步就不再是空中楼阁:由于现成卟啉的存在,突变出的利用卟啉的代谢路径就有了意义,同时,将其他物质转化为卟啉的能力能使其拥有比同类含量更高的卟啉。

根据以上推导,这条代谢路径在演化顺序上可能是以卟啉为起点向两端延长,就像把一根线从中间往两头烧;而卟啉乃至光合色素最初的用途,则可能是在辐射环境下保护蛋白质和遗传物质。

于此,我们摸到了叶绿素代谢在演化上可能的起点。


2. 择优

由于卟啉在当时有地质化学来源,整条路径中合成卟啉的部分就不再是那么重要了,下文将只讨论这之后的代谢步骤。

虽然都叫卟啉,实际上还是有个三六九等,卟啉由卟啉原氧化而成,然而我们在现代的叶绿素合成途径中观察到,最初合成的尿卟啉原先是转化成了粪卟啉原,又再转化为原卟啉原,这才氧化为原卟啉。

对此的猜想是,最初的代谢可能直接使用尿卟啉制作叶绿素,而卟啉的种类会影响叶绿素的性能(光吸收范围及效率、稳定性、氧化还原能力等),由此形成的选择压力使那些改装尿卟啉原,获得更优良叶绿素的生物获得生存优势。代谢路径上的三种卟啉原就是这一生存竞争留下的痕迹。

(叶绿素要附着在类囊体薄膜上,而对于膜上的系统,越小的电荷量越受青睐)

叶绿素怎么进化出来的?
实线部分表示现今叶绿素的部分代谢路径,虚线代表历史上作为叶绿素原料的卟啉种类的演变 尿卟啉(uro-)粪卟啉(copro-)原卟啉(proto-) 下方数字表示其电荷量

3. 螯合,从零到一

不管是曾经的尿卟啉还是现在的原卟啉,只要螯合了一个镁原子,它就能起到光合色素的作用。学界公认的第一个光合色素是镁 - 原卟啉甲酯(Mg-protoporphyrin monomethyl ester),而上述卟啉与镁的螯合物与其具有相似的吸收光谱,这暗示它可以作为光合色素的前身直接参与光反应。

好消息是,这个反应并不需要对应的酶,在镁元素浓度高的地域(比如黏土附近)就可以自发进行。叶绿素代谢中的第一个色素就此诞生。从无到有的飞跃之后,剩下的就只是自然选择对产物的筛选与推动。关于 Mg-DVP 之后的叶绿素循环,学界至今仍然对叶绿素 a、b、d 出现的先后顺序争论不休(有观点认为 b、d 上的酰基可能暗示了它们出现在大氧化事件之后),但我估计这已经不是题主关心的问题啦。

叶绿素怎么进化出来的?
螯合镁原子后的代谢路径,左上角就是酶 - 原卟啉螯合物,右上角的 Mg-DVP 可能是第一种真正的叶绿素
叶绿素怎么进化出来的?
至今仍然有部分厌氧光合生物、蓝菌及藻类在使用 Mg-DVP,比如图中的 micromonas sp

 

时讯快报

5.5亿用户的选择

立即打开