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紫地球仮説（PEH ）は、 2007年に分子生物学者のシラディティヤ・ダスサルマによって初めて提唱された宇宙生物学の仮説であり[ 1 ] 、初期地球の最も初期の光合成生命体は、より複雑なポルフィリンをベースとしたクロロフィルではなく、より単純な分子であるレチナールに基づいていたため、地表の生物圏は現在の緑色ではなく紫色に見えたというものである[ 2 ] [ 3 ]。これは、大酸化イベントとヒューロニアン氷河期以前の、太古代の35億年前から24億年前の間に起こったと推定されている[ 4 ]。
レチナールを含む細胞膜は、可視スペクトルのエネルギー豊富な緑黄色領域を中心とする単一の光吸収ピークを示しますが、赤色と青色の光を透過および反射するため、紫色になります。[ 5 ] [ 4 ]一方、クロロフィル色素は、赤色と青色の光を吸収しますが、緑色の光はほとんどまたは全く吸収しないため、植物、シアノバクテリア、[ 4 ]緑藻類、およびクロロフィルオルガネラを持つ他の生物の特徴的な緑色の反射が生じます。より複雑なクロロフィルと比較したレチナール色素の単純さ、細胞膜におけるイソプレノイド脂質との関連性、および初期地球の古代堆積物からの古細菌膜成分の発見は、キャンフィールド海のターコイズ色やその後の緑色の光合成生物よりも前に、紫色の膜を持つ生命体が早期に出現したという説と一致しています。
初期地球の古代堆積物から古細菌膜成分が発見されたことは、 PEHを支持する。なぜなら、これらの脂質はクロロフィルの代わりに原始的な光捕集色素である古細菌レチナールと関連しており、大酸化イベント中に導入されたクロロフィルベースの光合成の出現以前は、初期地球の生物圏は紫色でレチナールによってエネルギーを得ていたことを示唆しているからである。[ 4 ]
現在存在する網膜を基盤とする生物の一例として、ハロアーキアと呼ばれる光合成微生物が挙げられる。[ 1 ]多くのハロアーキアは、細胞膜に網膜由来タンパク質であるバクテリオロドプシンを含んでおり、これが光子駆動プロトンポンプを行い、膜を横切るプロトン駆動勾配を生成してATP合成を駆動する。このプロセスは炭素固定を伴わない無酸素光合成の一形態であり、ハロアーキアの膜プロトンポンプは、光エネルギーを収穫するための最も単純な既知の生体エネルギーシステムの1つを構成している。
紫色と緑色の光色素を持つ微生物は、微生物マットと呼ばれる層状のコロニーの中でしばしば共存し、そこで太陽光スペクトルの相補的な領域を利用している可能性がある。多くの環境で紫色と緑色の色素を持つ微生物が共存していることは、それらの共進化を示唆している。
初期の地球の生物圏は、当初は網膜をエネルギー源とする古細菌コロニーが支配的で、緑色の光をすべて吸収していたため、「影に隠れて」生きていた真正細菌は、残りの赤色と青色の光スペクトルを利用して進化した可能性がある。しかし、ポルフィリンを基盤とする光合成独立栄養生物が進化して光合成を始めると（これにはバクテリオクロロフィルを使用する原始的な紫色細菌とクロロフィルを使用するシアノバクテリアの両方が含まれる）、水の分解の副産物として反応性の高い二酸素が放出され、まず海洋に、次に大気中に蓄積し始めた。10億年の間に、十分な量の酸素が生成され、地球表面の化学物質の還元能力が枯渇し、かつて還元性だった大気は最終的に、豊富な遊離酸素分子を含む恒久的な酸化性大気となった。これは大酸化イベントとして知られる出来事である。これは、原生代初期に起こった3億年に及ぶ地球規模の氷河期、ヒューロニアン氷河期（大酸化による強力な温室効果ガスである大気中のメタンの酸化的減少が原因の一部であった可能性もある）と重なり、嫌気性生物相を壊滅させ、抗酸化能力を進化させた真正細菌（好気性プロテオバクテリアと光合成シアノバクテリアの両方）が利用して繁栄するためのニッチを残した。これにより、生き残った嫌気性生物は、無酸素水域や深海の酸素極小域でのみ生存するか、好気性生物との共生生活に適応するかのどちらかを強いられた（好気性生物のコロニーは、時に十分な遊離酸素を消費して、嫌気性生物が繁栄できる低酸素領域を作り出すことがあった）。これは、嫌気性古細菌と好気性真正細菌（ミトコンドリアへと進化）との長期的な細胞内共生への道を開き、真核生物の進化を可能にした可能性がある。
しかし、クロロフィルのポルフィリンをベースとした性質は進化上の罠を生み出し、クロロフィル生物はエネルギーが豊富で利用可能になった緑色の光を吸収するように再適応することができず、結果として反射して緑色を呈することになった。その後、より進化したクロロフィル生物（特に緑藻類と初期の植物）が陸上への進出に成功したことで、地球全体に緑色の生物圏が形成された[ 2 ]。
宇宙生物学者は、網膜色素がバイオシグネチャー、つまり系外惑星上の地球外生命の遠隔検出可能な兆候として機能する可能性があると示唆している。[ 6 ]歴史的に、科学者は、クロロフィルの存在が示唆されることから、緑黄色範囲の光を反射する惑星を光合成生物の宿主として探してきた。紫色の地球仮説は、網膜に基づく光合成の進化も起こりうる、あるいはクロロフィル系進化よりもさらに起こりうる可能性があるため、探索方法を青色と赤色の光を反射する惑星にまで拡大すべきだと示唆している。