紫色地球假說

紫色地球假說（Purple Earth hypothesis）是一個天文生物學上的假說。該假說的內容是地球上最早出現的微生物光合作用形式是基於視黃醛為反應中心，而不是基於分子結構更加複雜的卟啉衍生物葉綠素。因為視黃醛主要吸收日光中的綠色光譜，反射剩餘的紅光和藍光，所以此類生物在淺海和潮間帶形成的菌毯生物圈主要顯現紫色。如今尚存的基於視黃醛衍生物的微生物為使用紫膜質的鹽桿菌。

太古宙早期的地球的水圈和沿岸陸地很可能呈現紫色

鹽桿菌的細胞培養呈現的紫色

理論價值

紫色地球假說可以用來解釋為何現今絕大多數自營生物光合作用所依賴的葉綠體只吸收日光中的紅色和藍色光譜，而不是光能最充足的綠光。

在太古宙早期的古太古代就已經有原核生物存在，主要分為古菌（古細菌）和細菌（真細菌）兩大類。在這些遠古微生物開始擴展到遠離海底熱泉的淺海環境時，無法繼續依賴化合作用來維持菌落生存，很可能是古菌率先演化出了以視黃醛為基礎的不產氧光合作用，利用日光中的綠色光能來直接驅動跨膜蛋白並生產三磷酸腺苷儲存化學能。這種獲取生物能的能力讓古菌搶先佔據了大部分生態位，使得主要由菌毯組成的地球生物圈呈現紫色。這也使得被擠壓在菌毯下層的細菌因為無法獲得被上層古菌優先吸收掉的綠光，只能演化出依賴分子結構更複雜的卟啉為基礎的菌綠素和葉綠素來吸收剩餘的紅藍光。這些後演化出光合作用的真細菌（藍綠菌和紫細菌）也因為不吸收綠色光譜，其菌毯主要呈現綠色（紫細菌的紅紫色其實是來源於類胡蘿蔔素反射的紅黃色光參與混光的結果，其菌綠素本體仍只反射綠光）。

使用菌綠素的光合作用仍是不產氧的，是利用分解硫化氫來獲取氫正離子去和二氧化碳發生固碳反應合成碳水化合物，並釋放硫磺作為副產品；但之後演化出的使用葉綠素的藍細菌則進行產氧光合作用，分解的是水分子並產生雙氧這個活性度很強的副產品。在元古宙之前的大氣層是主要以氮氣、甲烷和硫化氫為主的還原性大氣，地表和海洋中還有大量的亞鐵和硫磺等物質可以隨時通過氧化還原反應將游離的氧分子移除，但隨着藍綠菌不斷進行產氧光合作用釋放新的氧氣，這些還原劑最終在新太古代末期被氧化耗盡，使得海洋和大氣中都開始積累越來越多的游離氧氣，史稱大氧化事件。同時，氧氣大大降低了大氣甲烷的濃度，使得溫室效應銳減，加上當時太陽輻射較弱，地熱和火山活動也可能正處於一個低谷期，使得全球氣溫銳減進入了長達兩億年的休倫大冰期。在氧化和氣候變化的雙重打擊下，當時主要是厭氧生物的生物圈受到重創，可能引發了地球史上最大規模的滅絕事件。倖存的厭氧菌也被迫與新演化出的好氧菌形成共生關係，其中一些演化出內共生並最終成為真核生物。

休倫大冰期消退後經歷了十億年的硫化缺氧期，這段時期興盛的主要是紫細菌。在這個時期終於結束後，重新繁盛起來的生物圈中負責光合作用的生產者主力被演化出固氮能力的藍綠菌取代。雖然藍綠菌成了光合自營生物的主流，但其葉綠素基於卟啉的本質使其陷入了一個演化陷阱——即使現在不再有古菌用視黃醇與其競爭綠光，藍綠菌也天生無法使用綠光。之後演化出的基於葉綠素進行光合作用的真核自營生物（比如綠藻、紅藻和演化自淡水綠藻的植物）也和藍綠菌一樣只能吸收紅藍光譜，綠光完全被反射掉，因此元古宙之後的生物圈在宏觀上整體呈現綠色。

外部連結

• Colorful Worlds: Plants on Other Planets Might Not Be Green （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• [1] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 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] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Softpedia article
• [4] Fox News article