地球上鐵含量的變化如何塑造生命的演化程序

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穀物圖片來源：Pixabay

我們的紅色血液中充滿了鐵元素，並且我們需要它來促進生長和增強免疫力。它甚至被新增到穀物等食物中來保證飲食中含有足夠的這種營養物來預防缺鐵。

然而，在地球上生命數十億年的發展過程這一個遠不相同的層面上，缺鐵或許推動了生命演化。一項發表在《美國國家科學院院刊》（PANS）上的新研究表明，我們星球上鐵含量的上升和下降可能使複雜的生物能夠從更簡單的祖先進化而來。

我們太陽系中的類地行星在其岩石地幔（位於行星最外層地殼下方）中含有不同量的鐵，如水星、金星、地球和火星。水星地幔含有最少水量的鐵，而火星最多。該差異是由於與太陽的距離不同

導致

。並且這也取決於行星最初形成其富含鐵的金屬核心的不同條件。

地幔中鐵的含量調節多種行星過程，其中就包括水的存留。沒有水，我們所知的生命就無法存在。對其他太陽系的天文觀測或許有助於評估其行星的地幔鐵，這將有助於縮小能夠孕育生命的行星的搜尋範圍。

除了有助於行星的宜居性，鐵也是生命形成的生化基礎。鐵具有獨特的效能組合，既能在多個方向形成化學鍵又能相對容易地失去或獲得一個電子。因此，鐵介導了細胞中的許多生化過程，尤其是透過催化作用（一種加速化學反應的過程）。像DNA合成和細胞能量產生等對生命至關重要的代謝過程都依賴於鐵。

在該工作中，研究人員計算了數十億年來地球海洋中鐵的含量。然後他們評估了海洋中掉落的大量的鐵對進化的影響。

更

古不變的鐵

早期地球與現在地球的對比圖圖片由作者提供

地球化學演變為生物化學和生命的最初形成事件發生在40多億年前。並且人們一致認為鐵是該過程發生的關鍵因素。地球的早期狀況與如今大不相同。特別是大氣中幾乎沒有氧氣，這意味著鐵很容易以“亞鐵”（Fe2+）的形式溶於水中。地球早期海洋中豐富的營養

鐵

幫助生命進化。然而，這個“黑色天堂”並沒有持續多久。

大約24。3億年前，大氧化事件的發生導致地球大氣中出現氧氣。這改變了地球的表面並且導致地球上層海洋和地表水中可溶性鐵的大量流失。第二個更近的“氧化事件”發生在8到5億年前的新元古代（Neoproterozoic），它進一步提高了氧氣濃度。由於這兩個氧化事件，氧氣與鐵結合生成了數十億噸氧化的、無法水溶的“三價鐵”（Fe3+），它們從海水中分離，變成了無法被大多數生命所利用的狀態。

這時生命已經發展地無法離開鐵，而無法獲得可溶性鐵則對地球上生命的演化產生了重要的影響。因而具有最佳化鐵獲取和利用行為的生命體具有明顯的選擇優勢。現如今，我們仍然可以從

感染

的遺傳分析中觀察到該點：在短短

幾代

內，能夠從宿主中高效獲取鐵的細菌變異株就能從獲取鐵能力較差的競爭對手中脫穎而出。

在這場鐵爭奪戰爭中的關鍵武器是一種能由許多細菌產生的可以捕獲氧化鐵（Fe3+）的小分子物質——“鐵載體”（siderophore）。鐵載體被氧化後會變得更加有效，能夠使生物體從含有氧化鐵的礦物質中吸收鐵。然而，鐵載體也幫助包括細菌在內的生命體從其他生命體中偷取鐵。這種從環境中獲取鐵到從其他生命形式中偷取鐵的轉變，在病原體和其宿主之間建立了一種新的競爭性的互動動態。在該過程中，雙方不斷進化以攻擊和防禦它們的鐵資源。數百萬年來。這種強大的競爭性驅動力導致了越來越複雜的行為，從而產生了更高階的生命體。

然而，除了偷取鐵之外，還有其他的策略可以幫助解決對這種稀缺養分的依賴。分享資源的共生合作關係便是這樣的一個例子。線粒體是富含鐵的產生能量的機器，它最初是細菌，但現在卻共生於我們的細胞中。多個細胞聚集在一起作為複雜的生物體能夠比單細胞生物體（如細菌）更有效地利用稀有的營養物質。例如，人類每天回收的鐵是我們從飲食中攝取的25倍。從利用鐵養分的觀點來看，感染、共生和多細胞形式提供了不同但優雅的方式幫助生命形式抵抗鐵的限制。因此對鐵的需求可能影響了進化，包括我們現在所知的生命。

地球證明了鐵離子的重要性。早期地球的生物可獲取鐵和隨後地表氧化期間鐵移除的結合為生命進化提供了獨特的環境壓力，促使它們從較為簡單的祖先進化為複雜生命體。在如此長的時間跨度上出現和發生的這些特定的條件和變化在其他行星上可能並不常見。因此，在我們的宇宙附近發現其他高階生命的機率可能很低。同樣，觀察其他星球上的鐵丰度也可以幫助我們找到這樣的稀有星球。

翻譯：馬孔碩

校審：張欣怡

引進來源：theconversation

本文來自：中國數字科技館

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