大気海洋生物化学循環モデルを用いた地球表層酸化還元環境史の解明

利用大气-海洋生化循环模型阐明地球表面氧化还原环境的历史

基本信息

批准号：
13J09134
负责人：
原田真理子
金额：
$ 1.73万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

地球誕生直後にはほぼゼロであった大気酸素濃度は，原生代初期に急激に上昇したことが地質記録から示唆されている（大酸化イベント）．大酸化イベントは，当時の地球表層に生息していた生命に多大な影響を与えたことが予想される．そこで本研究では，大酸化イベントのメカニズムや規模を明らかにし，酸素濃度変動の生命進化への寄与を評価することを目指した．昨年度までの研究では，大気海洋生物化学循環モデルを用いた数値シミュレーションを行い，酸素濃度上昇の原因，変動の規模や時間スケールを定量的に明らかにした．その結果，全球凍結後の温暖気候下で生じるシアノバクテリアの大繁殖を引き金として，低濃度から高濃度への，大気酸素濃度の多重安定状態間遷移が起きうることが示された．計算結果と地球化学記録との比較からは，遷移に伴って，酸素濃度は一時的に現在と同じレベルにまで上昇し，その状態が1億年程度継続したらしいこともわかった（酸素濃度の『オーバーシュート』）．本年度は，このような大規模かつ長期的な酸素濃度の変動が，生命進化どのように寄与したかを推定した．酸素濃度変動に対する生命の応答を知る手がかりとして, シアノバクテリアの抗酸化酵素[SOD(Superoxide dismutase)]の進化に着目した．酸素濃度の変動は，SODの発現量に変化をあたえたはずである．タンパク質の発現量は一般に，プロモーター配列とよばれるDNA配列によって制御されている．本研究では，分子系統解析によって，過去のプロモーター配列（祖先型プロモーター配列）を推定し，そのDNA配列から過去の酵素の発現量の変化を見積もった．その結果，SODの発現量は，シアノバクテリア誕生時には低かったものが，大酸化イベントと同時期に増加していたことが明らかになった．これは，大酸化イベントが直接的に生命の進化に影響を与えていたことを示す初めての研究例といえる．

地质记录表明，地球诞生后大气中的氧气浓度几乎为零，但在元古代早期（大氧化事件）迅速上升。预计大氧化事件将对当时地球表面的生命产生重大影响。因此，在本研究中，我们旨在阐明大型氧化事件的机制和规模，并评估氧浓度波动对生命进化的贡献。在截至去年的研究中，我们利用大气-海洋生化循环模型进行了数值模拟，定量地阐明了氧浓度上升的原因以及波动的规模和时间尺度。结果表明，全球冰冻后温暖气候中蓝藻的大量增殖可能会引发大气氧浓度从低浓度到高浓度的多次稳定状态转变。计算结果与地球化学记录的比较表明，随着转变，氧浓度暂时上升到与今天相同的水平，并且这种状态似乎持续了大约一亿年（“超调”）。今年，我们估计了如此大规模和长期的氧浓度变化如何促进生命的进化。我们重点关注蓝藻抗氧化酶 [SOD（超氧化物歧化酶）] 的进化，以此作为理解生命对氧浓度变化的反应的线索。氧气浓度的波动一定会导致 SOD 表达量的变化。蛋白质表达量通常由称为启动子序列的DNA序列控制。在本研究中，我们通过分子系统发育分析估计了过去的启动子序列（祖先启动子序列），并根据该 DNA 序列估计了过去酶表达水平的变化。结果表明，SOD的表达水平在蓝藻诞生时较低，但在主要氧化事件的同时增加。这是第一项表明主要氧化事件直接影响生命进化的研究。