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33億年前の光合成証拠

太古の光合成への石灰化した手がかり

微生物のマットは光合成でしか形成されない炭酸カルシウムを含む

Katharine Sanderson


太古の微生物マットにいた微生物の繊維状の痕跡は光合成が33億年前に起こっていた証拠だ。Frances Westall

太古の光合成のこれまでで最も直接的な証拠が、33億年前の砂浜に生息していた微生物のマット状カーペットの化石で明らかにされた。

フランス国立科学研究センター(CNRS)の研究所の一つである、分子生物物理学センター(オルレアン)のフランセス・ウェスタルと彼女の共同研究者たちは南アフリカにあるバーバートン・グリーンストーン・ベルトから産する保存の良好なヨゼフスダル・チャート微生物マット――小さな生物の層に重なる層が形成した薄いシート――を調べた。

これらの太古の微生物の層は地球の知己が酸素を含んでいなかった時に成長した。このマットは太陽光が届く場所にある砂浜に横たわっていたが、当時は周囲には炭素リッチな栄養が少なかった。だから初期の生命は栄養を光合成に依存していたと思われ、このプロセスがいつ進化したかを解明することは生命がどのように始まったかを理解するのに必須である。

光合成する繊維

ウェスタルらのチームは電子顕微鏡とシンクロトロン光源を使って保存された微生物マットの構造と組成を調べた。マットの表層で彼女らは、長さ約0.3マイクロメートルの小さな繊維を観察した。ウェスタルによると、それは光合成微生物の痕跡だという。表面の下で彼女らは、炭酸カルシウム鉱物である、アラレ石の小さな粒子を見つけた。これは表面が光合成を行っていたときにしかできないものである。光合成は太陽からのエネルギーを使ってそれを他の微生物を養うのに有用な栄養へと変えることだ。「我々はそれまで生体内での石灰化を観察したことはなかった」とウェスタルは話す。「[光合成以外に]この構造をこの環境内で生産する方法はない」

ウェスタルによるとマットが成長するとともに、活動的な最上層の下にある死んだ光合成微生物の層がマットの下のほうにいる従属栄養生物と呼ばれる非光合成生物によって消費されたという。従属栄養生物が光合成によって生産された炭素リッチな層を分解するとともに、それらは代謝産物を排出してマットのpHを上昇させた。高いpHはマットの一部を形成する炭素質ポリマーが水から奪ったカルシウムイオンを放出した。カルシウムイオンは海水からの炭酸イオンと混ざって炭酸カルシウムとして沈殿した。

現生の光合成マットはやはり炭酸カルシウムを沈殿する硫黄還元細菌を含む。ウェスタルは彼女の試料の中に、硫黄含有分子、チオフェンを見つけ、存在する硫黄の全量を決定できた――最大で1%。彼女によると、これは太古のマットにいた従属栄養生物が現生マットのものに似た硫黄還元細菌を含んでいたことを示すという。

「初期の化石記録についての数多い謎の一つは微生物繊維の石灰化した例がないことだ。それは通常は光合成が共存する浅い海洋環境で見つかるのに」と、オックスフォード大学(英国)の太古の生物学的過程の専門化、マーティン・ブレイジアは話す。ブレイジアはこの結果について、彼女らの研究についての独立した確証を見たいと言って、注意する。

別の見方

他の太古のマットも研究されてきたが、ウェスタルによるとそれらが光合成をしたという証拠は間接的であったという――それらの炭素同位体組成から推測されたか、マットの構造を詳細に調べて微生物様構造を探すことによっている。ウェスタルは、炭素同位体組成は非光合成微生物からもできると主張している。

そのような研究の一つは、現テキサスA&M大学(カレッジ・ステーション)のマイケル・タイスによるもので、34億年前のマットが光合成をしていたことを示したNatureへのEメールの中でタイスは、その研究での彼の主張はウェスタルが示したのより説得力があると言っている。「我々の光合成への主張の鍵となる要素はこれらのマットが同じ地質ユニットの中に記録された深海環境でなく、浅い太陽が照らす環境で形成されたという観察だ」と彼は話す。マットが成長した流体とそれらの全量同位体組成についての彼らの結論と組み合わせて、タイスと彼の共同研究者たちは「それらが無酸素型光合成微生物しか生産できなかった」と判断した。

タイスによると石灰化は重要な新しい証拠であるが、彼はそれを決定的だとは考えていないという。「それらは光合成が古始生代の終わりまでに進化していたことを示す間接的な証拠の集合に加わるが、我々はまだ決定的証拠を有してはいない」とタイスは話す。

ウェスタルは彼女のグループの研究結果をフランスのモンペリエで開かれたOrigins2011会議で発表した。

Nature News
Calcified clue to ancient photosynthesis
Katharine Sanderson
Published online 6 July 2011 | Nature | doi:10.1038/news.2011.397

関連論文
Frances Westall, et al. 2011.
Implications of in situ calcification for photosynthesis in a ~ 3.3 Ga-old microbial biofilm from the Barberton greenstone belt, South Africa
Earth and Planetary Science Letters Volume 310, Issues 3–4, 15 October 2011, Pages 468–479



1年以上前の古いニュースです。最古の光合成の証拠についても、27億年前と言われたり、それが否定されたり、活発な論争が続いている分野です。地球の大気に酸素が増えた時期より前の、光合成生物の証拠を全否定する人たちがいるようです。

この記事では炭酸カルシウムが光合成微生物の細胞外に沈殿することになっていますが、最近、細胞内に炭酸塩を沈殿させるシアノバクテリアの新種が見つかったそうです。

現生生命最強のタンパクであるRuBisCoはいつ出現したのでしょうね。
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