Hopanoid telah dianggarkan sebagai produk semula jadi yang paling banyak di Bumi, kekal dalam pecahan organik semua sedimen, bebas daripada umur, asal usul atau alam semula jadi. Jumlah keseluruhan di Bumi dianggarkan sebagai 10 x 1018 gram (1012 tan) pada 1992.[36] Biomolekul seperti DNA dan protein terdegradasi semasa diagenesis, tetapi lipid polisiklik kekal dalam persekitaran sepanjang skala masa geologi oleh kerana strukturnya yang bersatu dan stabil.[37] Walaupun hopanoid dan sterol dikurangkan kepada hopana dan sterana semasa pemendapan, produk diagenetik ini masih boleh menjadi biopenanda berguna, atau fosil molekul, untuk mengkaji evolusi bersama kehidupan awal dan Bumi.[37][38]

Pada masa ini, fosil triterpenoid yang tidak dipertikaikan tertua yang dikesan ialah okenana Mesoproterozoik, sterana dan metilhopana daripada lembangan berusia 1.64 Ga (bilion tahun) di Australia.[39] Walau bagaimanapun, analisis jam molekul menganggarkan bahawa sterol terawal mungkin dihasilkan sekitar 2.3 Ga yang lalu, kira-kira masa yang sama dengan Peristiwa Pengoksidaan Besar, dengan sintesis hopanoid timbul lebih awal lagi.[40]

Atas beberapa sebab, hopanoid dan skualene-hopena siklase telah dihipotesiskan sebagai lebih purba daripada sterol dan oksidoskualena siklase. Pertama, diplopterol disintesis apabila air memadamkan karbokation C22 yang terbentuk semasa pempolisiklikan. Ini menunjukkan bahawa hopanoid boleh dibuat tanpa oksigen molekul, dan boleh berfungsi sebagai pengganti sterol sebelum atmosfera mengumpul oksigen, yang bertindak balas dengan skualene dalam tindak balas yang dimangkinkan oleh skualena monooksigenase semasa biosintesis sterol.[1] Tambahan pula, skualena mengikat skualena-hopena siklase dalam konformasi semua kerusi bertenaga rendah, manakala oksidoskualene dikitar dalam konformasi kerusi-bot-kerusi-bot yang lebih tegang.[4][41] Skualena-hopena siklase juga memaparkan lebih banyak pergaulan substrat kerana ia mengitar oksidoskualena secara in vitro, menyebabkan sesetengah saintis membuat hipotesis bahawa ia merupakan pendahulu evolusi kepada oksidoskualena siklase.[41] Para saintis lain telah mencadangkan bahawa skualena-hopena dan oksidoskualena siklase menyimpang daripada leluhur yang sama, sejenis siklase bakteria yang diduga yang akan menghasilkan produk malabarikanoid trisiklik atau damaranoid tetrasiklik.[1][42]

2-metilhopanoid

Sebagai biopenanda sianobakteria

Cadangan

2-metilhopana, sering dikira sebagai indeks 2-α-metilhopana, pertama kali dicadangkan sebagai biopenanda fotosintesis oksigen oleh Roger Summons dan rakan sekerja berikutan penemuan lipid pendahulu, 2-metilhopanol, dalam kultur dan tikar sianobakteria.[43] Penemuan seterusnya 2-α-metilhopana yang disangka daripada sianobakteria fotosintesis dalam syal 2.7 Ga dari Pilbara Craton di Australia Barat mencadangkan jurang 400 Ma (juta tahun) antara evolusi metabolisme oksigen dan Peristiwa Pengoksidaan Besar.[44] Walau bagaimanapun, penemuan ini kemudiannya ditolak kerana potensi pencemaran oleh hidrokarbon moden.[45]

Kehadiran sianobakteria putatif berdasarkan 2-metilhopana yang banyak telah digunakan untuk menjelaskan pemendapan syal hitam semasa Peristiwa Anoksia Lautan Aptia dan Kenomania–Turonia (OAE) dan tanda isotop15N yang berkaitan menunjukkan pengikatan N2.[46] Sebaliknya, nilai indeks 2-α-metilhopana secara relatifnya rendah merentasi sedimen Frasnia dan Famenia yang serupa yang sepadan dengan kejadian Kellwasser,[47] walaupun tahap yang lebih tinggi telah dilaporkan dalam bahagian Famenia Bawah kemudian.[48]

Pertikaian

Status 2-metilhopanoid sebagai biopenanda sianobakteria telah dicabar oleh beberapa penemuan mikrobiologi. Geobacter sulfurreducens telah diperhatikan mensintesis pelbagai hopanol, walaupun bukan 2-metil-hopanol, apabila ditanam dalam keadaan anaerobik yang ketat.[8] Tambahan pula, fototrof anoksigen Rhodopseudomonas palustris didapati menghasilkan 2-metil-BHP hanya dalam keadaan anoksia.[49] Penemuan terakhir ini juga membawa kepada pengenalpastian gen pengekodan utama metiltransferase HpnP.[33] hpnP kemudiannya dikenal pasti dalam asidobakteria dan banyak alfaproteobakteria, dan analisis filogenetik gen menyimpulkan bahawa ia berasal dari alfaproteobakteria dan diperoleh oleh sianobakteria dan asidobakteriota melalui pemindahan gen mendatar.[50]

Dalam kalangan sianobakteria, pengeluaran hopanoid secara amnya terhad kepada sianobakteria daratan. Dalam kalangan sianobakteria marin, eksperimen kultur yang dijalankan oleh Helen Talbot dan rakan sekerja membuat kesimpulan bahawa hanya dua spesies marin– Trichodesmium dan Crocosphaera–menghasilkan bakteriohopanepoliol.[51] Pencarian berasaskan gen kemudian untuk hpnP dalam genom sianobakteria tersedia dan genom dipasang metagenom (MAG) membuat kesimpulan yang sama, mengenal pasti gen dalam ~30% spesies daratan dan air tawar, dan hanya satu daripada 739 genom sianobakteria marin dan MAG.[52] Selain itu, Nostoc punctiforme menghasilkan jumlah terbesar 2-metilhopanoid apabila dibezakan kepada akinet. Struktur sel tahan sejuk dan pengeringan ini tidak aktif, dan oleh itu, tidak aktif berfotosintesis, seterusnya mencabar perkaitan antara 2-metilhopana dan fotosintesis oksigenik.[19]

Tafsiran lain

Penyelidikan yang menunjukkan bahawa bakteria pengoksida nitrit (NOB) Nitrobacter vulgaris meningkatkan pengeluaran 2-metilhopanoid 33 kali ganda apabila ditambah dengan kobalamin telah meneruskan penjelasan bukan sianobakteria buat kelimpahan 2-metilhopana yang diperhatikan yang dikaitkan dengan OAE Kapur. Felix Elling dan rakan sekerja mencadangkan bahawa peredaran terbalik membawa air dalam yang kaya dengan ammonia dan kobalt ke permukaan, masing-masing menggalakkan pengoksidaan nitrit aerob dan sintesis kobalamin. Model ini juga menangani kekurangan ketara 2-metilhopana yang dikaitkan dengan kejadian sapropel Mediterranean dan dalam sedimen Laut Hitam moden. Disebabkan kedua-dua persekitaran mempunyai aliran atasan yang jauh lebih sedikit, NOB penghasil 2-metilhopanoid seperti N. vulgaris dikalahkan oleh NOB dengan afiniti nitrit dan bakteria anamoks yang lebih tinggi.[52]

Tinjauan alam sekitar oleh Jessica Ricci dan pengarang bersama menggunakan metagenom dan perpustakaan klon mendapati korelasi yang ketara antara komuniti mikrob yang berkaitan dengan tumbuhan dan kehadiran hpnP, berdasarkan mana mereka mencadangkan bahawa 2-metilhopanoid ialah biopenanda bagi komuniti mikrob sesil tinggi dalam osmolariti, dan rendah oksigen serta nitrogen tetap.[53]

3-metilhopanoid

3-metilhopanoid secara sejarah telah dikaitkan dengan metanotrofi aerob berdasarkan eksperimen kultur,[54] dan kejadian bersama dengan metanotrof aerobik dalam persekitaran.[55] Oleh itu, kehadiran 3-metilhopana, bersama-sama dengan penyusutan13C, dianggap sebagai penanda metanotrofi aerobik purba.[34] Walau bagaimanapun, bakteria asid asetik telah diketahui dalam beberapa dekad turut menghasilkan 2-metilhopanoid.[54] Selain itu, berikutan pengenalpastian hpnR mereka, gen yang bertanggungjawab dalam pemetilan hopanoid di kedudukan C3, Paula Welander dan Roger Summons mengenal pasti homolog hpnR yang diduga dalam ahli alfa-, beta-, dan gamaproteobakteria, aktinomisetota, nitrospirota, filum calon NC10 dan asidobakterium, serta dalam tiga metagenom. Oleh itu, Welander dan Summons membuat kesimpulan bahawa 3-metilhopanoid secara semata-mata tidak boleh menjadi bukti metanotrofi aerobik.[34]