紫色地球假说

紫色地球假说（Purple Earth hypothesis）是一个天文生物学上的假说。该假说的内容是地球上最早出现的微生物光合作用形式是基于视黄醛为反应中心，而不是基于分子结构更加复杂的卟啉衍生物叶绿素。因为视黄醛主要吸收日光中的绿色光谱，反射剩余的红光和蓝光，所以此类生物在浅海和潮间带形成的菌毯生物圈主要显现紫色。如今尚存的基于视黄醛衍生物的微生物为使用紫膜质的盐杆菌。

太古宙早期的地球的水圈和沿岸陆地很可能呈现紫色

盐杆菌的细胞培养呈现的紫色

理论价值

紫色地球假说可以用来解释为何现今绝大多数自营生物光合作用所依赖的叶绿体只吸收日光中的红色和蓝色光谱，而不是光能最充足的绿光。

在太古宙早期的古太古代就已经有原核生物存在，主要分为古菌（古细菌）和细菌（真细菌）两大类。在这些远古微生物开始扩展到远离海底热泉的浅海环境时，无法继续依赖化合作用来维持菌落生存，很可能是古菌率先演化出了以视黄醛为基础的不产氧光合作用，利用日光中的绿色光能来直接驱动跨膜蛋白并生产三磷酸腺苷储存化学能。这种获取生物能的能力让古菌抢先占据了大部分生态位，使得主要由菌毯组成的地球生物圈呈现紫色。这也使得被挤压在菌毯下层的细菌因为无法获得被上层古菌优先吸收掉的绿光，只能演化出依赖分子结构更复杂的卟啉为基础的菌绿素和叶绿素来吸收剩余的红蓝光。这些后演化出光合作用的真细菌（蓝绿菌和紫细菌）也因为不吸收绿色光谱，其菌毯主要呈现绿色（紫细菌的红紫色其实是来源于类胡萝卜素反射的红黄色光参与混光的结果，其菌绿素本体仍只反射绿光）。

使用菌绿素的光合作用仍是不产氧的，是利用分解硫化氢来获取氢正离子去和二氧化碳发生固碳反应合成碳水化合物，并释放硫磺作为副产品；但之后演化出的使用叶绿素的蓝细菌则进行产氧光合作用，分解的是水分子并产生双氧这个活性度很强的副产品。在元古宙之前的大气层是主要以氮气、甲烷和硫化氢为主的还原性大气，地表和海洋中还有大量的亚铁和硫磺等物质可以随时通过氧化还原反应将游离的氧分子移除，但随着蓝绿菌不断进行产氧光合作用释放新的氧气，这些还原剂最终在新太古代末期被氧化耗尽，使得海洋和大气中都开始积累越来越多的游离氧气，史称大氧化事件。同时，氧气大大降低了大气甲烷的浓度，使得温室效应锐减，加上当时太阳辐射较弱，地热和火山活动也可能正处于一个低谷期，使得全球气温锐减进入了长达两亿年的休伦大冰期。在氧化和气候变化的双重打击下，当时主要是厌氧生物的生物圈受到重创，可能引发了地球史上最大规模的灭绝事件。幸存的厌氧菌也被迫与新演化出的好氧菌形成共生关系，其中一些演化出内共生并最终成为真核生物。

休伦大冰期消退后经历了十亿年的硫化缺氧期，这段时期兴盛的主要是紫细菌。在这个时期终于结束后，重新繁盛起来的生物圈中负责光合作用的生产者主力被演化出固氮能力的蓝绿菌取代。虽然蓝绿菌成了光合自营生物的主流，但其叶绿素基于卟啉的本质使其陷入了一个演化陷阱——即使现在不再有古菌用视黄醇与其竞争绿光，蓝绿菌也天生无法使用绿光。之后演化出的基于叶绿素进行光合作用的真核自营生物（比如绿藻、红藻和演化自淡水绿藻的植物）也和蓝绿菌一样只能吸收红蓝光谱，绿光完全被反射掉，因此元古宙之后的生物圈在宏观上整体呈现绿色。

外部链接

• Colorful Worlds: Plants on Other Planets Might Not Be Green （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• [1] （页面存档备份，存于互联网档案馆） 2007 AAS/AAPT Joint Meeting, American Astronomical Society Meeting 209, #06.05; Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 38, p. 901
• [2] BR Green, E Gantt - J Phycol, 2000 - interscience.wiley.com
• [3] （页面存档备份，存于互联网档案馆） Softpedia article
• [4] Fox News article