地球上铁含量的变化如何塑造生命的演化进程

　　谷物图片来源：Pixabay
　　我们的红色血液中充满了铁元素，并且我们需要它来促进生长和增强免疫力。它甚至被添加到谷物等食物中来保证饮食中含有足够的这种营养物来预防缺铁。
　　然而，在地球上生命数十亿年的发展过程这一个远不相同的层面上，缺铁或许推动了生命演化。一项发表在《美国国家科学院院刊》（PANS）上的新研究表明，我们星球上铁含量的上升和下降可能使复杂的生物能够从更简单的祖先进化而来。
　　我们太阳系中的类地行星在其岩石地幔（位于行星最外层地壳下方）中含有不同量的铁，如水星、金星、地球和火星。水星地幔含有最少水量的铁，而火星最多。该差异是由于与太阳的距离不同导致。并且这也取决于行星最初形成其富含铁的金属核心的不同条件。
　　地幔中铁的含量调节多种行星过程，其中就包括水的存留。没有水，我们所知的生命就无法存在。对其他太阳系的天文观测或许有助于评估其行星的地幔铁，这将有助于缩小能够孕育生命的行星的搜索范围。
　　除了有助于行星的宜居性，铁也是生命形成的生化基础。铁具有独特的性能组合，既能在多个方向形成化学键又能相对容易地失去或获得一个电子。因此，铁介导了细胞中的许多生化过程，尤其是通过催化作用（一种加速化学反应的过程）。像DNA合成和细胞能量产生等对生命至关重要的代谢过程都依赖于铁。
　　在该工作中，研究人员计算了数十亿年来地球海洋中铁的含量。然后他们评估了海洋中掉落的大量的铁对进化的影响。
　　更古不变的铁
　　早期地球与现在地球的对比图图片由作者提供
　　地球化学演变为生物化学和生命的最初形成事件发生在40多亿年前。并且人们一致认为铁是该过程发生的关键因素。地球的早期状况与如今大不相同。特别是大气中几乎没有氧气，这意味着铁很容易以亚铁（Fe2）的形式溶于水中。地球早期海洋中丰富的营养铁帮助生命进化。然而，这个黑色天堂并没有持续多久。
　　大约24。3亿年前，大氧化事件的发生导致地球大气中出现氧气。这改变了地球的表面并且导致地球上层海洋和地表水中可溶性铁的大量流失。第二个更近的氧化事件发生在8到5亿年前的新元古代（Neoproterozoic），它进一步提高了氧气浓度。由于这两个氧化事件，氧气与铁结合生成了数十亿吨氧化的、无法水溶的三价铁（Fe3），它们从海水中分离，变成了无法被大多数生命所利用的状态。
　　铁矿图片来源：Pixabay
　　这时生命已经发展地无法离开铁，而无法获得可溶性铁则对地球上生命的演化产生了重要的影响。因而具有优化铁获取和利用行为的生命体具有明显的选择优势。现如今，我们仍然可以从感染的遗传分析中观察到该点：在短短几代内，能够从宿主中高效获取铁的细菌变异株就能从获取铁能力较差的竞争对手中脱颖而出。
　　在这场铁争夺战争中的关键武器是一种能由许多细菌产生的可以捕获氧化铁（Fe3）的小分子物质铁载体（siderophore）。铁载体被氧化后会变得更加有效，能够使生物体从含有氧化铁的矿物质中吸收铁。然而，铁载体也帮助包括细菌在内的生命体从其他生命体中偷取铁。这种从环境中获取铁到从其他生命形式中偷取铁的转变，在病原体和其宿主之间建立了一种新的竞争性的互动动态。在该过程中，双方不断进化以攻击和防御它们的铁资源。数百万年来。这种强大的竞争性驱动力导致了越来越复杂的行为，从而产生了更高级的生命体。
　　然而，除了偷取铁之外，还有其他的策略可以帮助解决对这种稀缺养分的依赖。分享资源的共生合作关系便是这样的一个例子。线粒体是富含铁的产生能量的机器，它最初是细菌，但现在却共生于我们的细胞中。多个细胞聚集在一起作为复杂的生物体能够比单细胞生物体（如细菌）更有效地利用稀有的营养物质。例如，人类每天回收的铁是我们从饮食中摄取的25倍。从利用铁养分的观点来看，感染、共生和多细胞形式提供了不同但优雅的方式帮助生命形式抵抗铁的限制。因此对铁的需求可能影响了进化，包括我们现在所知的生命。
　　地球证明了铁离子的重要性。早期地球的生物可获取铁和随后地表氧化期间铁移除的结合为生命进化提供了独特的环境压力，促使它们从较为简单的祖先进化为复杂生命体。在如此长的时间跨度上出现和发生的这些特定的条件和变化在其他行星上可能并不常见。因此，在我们的宇宙附近发现其他高级生命的几率可能很低。同样，观察其他星球上的铁丰度也可以帮助我们找到这样的稀有星球。
　　撰文：HalDrakesmith，牛津大学铁生物学教授；JonWade，牛津大学行星材料学副教授。
　　翻译：马孔硕
　　校审：张欣怡
　　引进来源：theconversation
　　本文来自：中国数字科技馆