我們紅色的血充滿了鐵元素。我們的成長(zhǎng)和免疫都需要鐵。它甚至被添加到食物當(dāng)中，比如麥片，以確保食物里面有足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)防止缺鐵。

但是，在一個(gè)非常特殊的尺度上來說，在地球上生命發(fā)展的上千年中，缺鐵可能促進(jìn)生物的進(jìn)化。根據(jù)我們的最新發(fā)表的《美國國家科學(xué)院院刊》上的文章研究，在我們星球上上升和下落的鐵含量可能使復(fù)雜的生物體從簡(jiǎn)單的原始生物進(jìn)化而來。

太陽系中的類地行星——水星、金星、地球和火星——在最外層行星地殼下的巖石層中含有不同數(shù)量的鐵。水星的地幔含鐵最少，而火星的含鐵最多。這是由于與太陽的距離不同而形成。以及歸因于行星最初形成其金屬、富鐵核心的各種條件。

地幔中的鐵起著調(diào)節(jié)幾個(gè)行星過程的作用，包括地表水的維持。我們所了解的那樣，沒有水，生命就不可能存在。對(duì)其他太陽系的天文觀測(cè)可能有助于估算行星的地幔層鐵含量，有助于縮小對(duì)可能孕育生命的行星的搜索范圍。

除了有助于地球的宜居性外，鐵也是生命萌芽的生物化學(xué)基礎(chǔ)。鐵具有獨(dú)特的綜合性質(zhì)，包括在多個(gè)方向上形成化學(xué)鍵的能力和相對(duì)容易獲得或失去一個(gè)電子的能力（這會(huì)讓它在特定環(huán)境中比較溶于水）。因此，鐵介導(dǎo)細(xì)胞中的許多化學(xué)反應(yīng)過程，特別是催化作用。代謝過程對(duì)生命至關(guān)重要，如DNA合成和細(xì)胞能量生成，依賴于鐵。

在我們的工作中，我們計(jì)算了數(shù)十億年來地球海洋中的鐵含量。然后，我們考慮了大量鐵從海洋中脫離對(duì)進(jìn)化的影響。

歷代鐵器

地球化學(xué)演化為生物化學(xué)，生命的最初形成事件發(fā)生在40多億年前。人們普遍認(rèn)為，鐵是這一過程的關(guān)鍵因素。早期地球的環(huán)境與現(xiàn)在截然不同。特別是，大氣層中幾乎不存在氧氣，意味著鐵很容易以“亞鐵”（Fe2+）的形式溶于水。地球早期海洋中豐富的營(yíng)養(yǎng)鐵有助于生命的進(jìn)化。然而，這個(gè)“黑色天堂”并沒有持續(xù)下去。

大氧化事件導(dǎo)致地球大氣中出現(xiàn)氧氣。它發(fā)生在24.3億年前。這改變了地球表面，造成了海洋上層和地球表層水可溶鐵的大量流失。第二次，也是最近的“氧化事件”，新元古代，發(fā)生在8億到5億年前。這使得氧氣濃度更高。這兩次事件的結(jié)果是，氧氣與鐵和數(shù)以十億噸計(jì)的氧化、不溶性“三價(jià)鐵”（Fe3+）結(jié)合，從海水中脫離，大多數(shù)生物無法溶水性汲收。

生命已經(jīng)發(fā)展并維持了以鐵元素為集合的營(yíng)養(yǎng)構(gòu)成。失去可溶鐵對(duì)地球上生命的進(jìn)化具有不可挽回的影響。優(yōu)化鐵的獲取和使用方式的行為具有明顯的天然優(yōu)勢(shì)。我們?nèi)匀豢梢栽诮裉斓膫魅静⊙芯康倪z傳基因分析中看到區(qū)別：能夠有效清除宿主體內(nèi)鐵的細(xì)菌變種在短短幾代中比能力較弱的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手做得更好。

這場(chǎng)爭(zhēng)奪鐵的戰(zhàn)爭(zhēng)中最關(guān)鍵的武器是含鐵細(xì)胞--那是一種許多細(xì)菌都可以生成的，能夠捕獲氧化鐵（Fe3+)的小分子。在氧化作用后，含鐵細(xì)胞變得更加有用，它使得機(jī)體能夠從含有氧化鐵的礦物質(zhì)中吸取鐵。然而，含鐵細(xì)胞還可以從其他機(jī)體，包括細(xì)菌中偷取鐵。從周圍環(huán)境中獲取鐵，轉(zhuǎn)變?yōu)閺钠渌w中偷取鐵，這一目標(biāo)轉(zhuǎn)換，在病原體和宿主之間建立起了動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)互動(dòng)。感謝這一進(jìn)程，使得雙方都連續(xù)進(jìn)化，從而進(jìn)攻和防護(hù)它們的鐵資源。在數(shù)百萬年的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生了異常復(fù)雜行為，導(dǎo)致更加高級(jí)的生物體形成。

然而，除了偷竊之外，其他策略也可以幫助解決對(duì)稀有營(yíng)養(yǎng)素的依賴。其中一個(gè)例子就是共享資源的共生合作關(guān)系。線粒體是富含鐵、能產(chǎn)生能量的機(jī)器，最初是細(xì)菌，但現(xiàn)在居住在我們的細(xì)胞中。與單細(xì)胞生物（如細(xì)菌）相比，多個(gè)細(xì)胞聚集在一起形成的復(fù)雜生物能夠更有效地利用稀有營(yíng)養(yǎng)。例如，人類每天回收的鐵是我們從飲食中攝取的鐵的25倍。從鐵偏見的觀點(diǎn)來看，感染、共生和多細(xì)胞性為生命體提供了不同但優(yōu)雅的方式來抵消鐵的限制。對(duì)鐵的需求可能影響了進(jìn)化，包括我們今天所知道的生命。

地球證明了諷刺的重要性。早期地球與生物可獲得的鐵以及隨后在表面氧化過程中去除的鐵的結(jié)合，提供了獨(dú)特的環(huán)境壓力，促進(jìn)了復(fù)雜生命從簡(jiǎn)單的前體演化而來。

在如此長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，這些特定的條件和變化并不常見。因此，宇宙臨近行星上發(fā)現(xiàn)其他高級(jí)生命形式的可能性較低。然而，觀察行星鐵豐富程度也能幫助我們找到如此罕見的星球。

作者：?Hal Drakesmith?,?Jon Wade

FY：Astronomical volunteer team

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處