本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，头图来自：unsplash
一
铁（Fe），几乎是所有地球生命茁壮成长的必需营养素。铁存在于我们红色的血液中，它促进我们的生长，增强我们的免疫力。作为一种重要的营养物质，铁常被添加到谷物等食品中，以确保饮食中含有足够的铁，以防止出现缺铁一类的现象。
在一项新研究中，一组研究人员在一个完全不同的尺度上探讨了铁的重要性。他们通过分析地球上铁含量的变化，发现在地球的数十亿年生命发展史中，缺铁可能刺激了地球生命的发展。
在一篇于近期发表在《美国国家科学院院刊》杂志的论文中，研究人员阐述了铁影响复杂生命形式的进化的可能机制，并表示这种机制或许能够帮助我们理解和评估在其他行星上，存在高级生命形式的可能性。
二
在太阳系的类地行星中，水星、金星、地球和火星的岩石地幔（位于行星的最外层地壳之下）中，都含有不同数量的铁。这种差异是由于与太阳距离的不同，以及这些行星在最初形成其富含铁的内核时所处的不同条件所决定的。地幔中的铁含量对一些行星过程具有调节作用，比如维持地表水的滞留。
没有水，我们所知道的生命就无法存在。如果一颗行星的地幔含铁量太少，生命就不太可能在那里出现；如果一颗行星的地幔含铁量太高，那么水可能就很难留在那颗行星表面。在上面提到的那几颗太阳系的行星中，水星地幔中的含铁量最少，而火星地幔中的含铁量最高。
铁除了与行星的宜居性息息相关之外，它还是生命的生物化学基础。这种元素具有许多独特的属性，它能在多个方向形成化学键，以及它能相对容易地获得或失去一个电子。这些特性使得铁可以介入许多发生在细胞内的生化过程中，一些对生命至关重要的代谢过程，比如DNA合成、细胞能量的产生，都需要依赖于铁。
早期地球的环境与现在的情况大不相同，尤其是早期的地球大气中几乎没有氧气，这意味着铁可以大量地溶解于水中，形成二价铁（Fe²⁺）。因此在地球的早期海洋中，丰富的铁含量为简单生命形式的发展提供一个快速的开端。然而，这个“二价铁天堂”并没能持续多久。
大约在24.3亿年前，大氧化事件导致氧气在地球大气中上升，氧与铁的结合将溶于水的二价铁变成了不溶于水的三价铁（Fe³⁺）。这改变了地球表面，使得地球的上层海洋中和地表水中的可溶性铁大量流失。接着，发生在8亿到5亿年前的第二次大氧化事件，进一步提高了地表的含氧量。
在新研究中，研究人员计算了地球海洋在数十亿年的时间跨度内的铁含量，然后思考了大量的铁从海洋中脱落对生命发展的影响。他们认为，两次大氧化事件的出现，造成数十亿吨被氧化的、不溶于水的三价铁从海水中脱落，成了大多数生命都无法加以利用的物质。
然而，地球生命对铁的依赖性是无可取代，无法接触到可溶性的铁会对地球上的生命进化造成重大影响。因此，生命必须找到新的途径来获取所需的铁。目前，科学家已经知道，那些能够优化铁的获取和使用的行为，具有明显的选择性优势。比如能够有效地从宿主中清除铁的细菌变种，可以在短时间内就表现得比其他同类竞争者更强。
在这场与铁有关的战役中，一种关键的武器是“铁载体”，这是一种由许多细菌产生的小分子，可以捕获氧化铁。在氧合作用发生之后，铁载体会变得非常有用，它使生物体能够从含有氧化铁的矿物质中将铁吸收。然而，铁载体也有助于生物体从其他生物体（包括细菌）那里窃取铁。
这就形成了一种转变——从于环境中获取铁，转换成从其他生命形式中窃取铁。这种转变在病原体和宿主之间建立了一种新的竞争互动机制。在这一过程中，为了攻击对方以及保护自身铁资源，病原体和宿主都会不断进化。数百万年来，这种强大的竞争驱动导致了越来越复杂的行为，从而导致了更先进的生物得以发展。
除了窃取之外，还有一些其他的策略可以帮助解决对一种稀缺营养物质的依赖，比如共生。共生是一种共享资源的合作关系，比如细胞中能够产生能量的线粒体就是富含铁的，它最初是细菌，但现在它存在于我们的细胞中。与作为细菌等单细胞生物相比，以多个细胞聚集在一起形成复杂生物的形式存在，能够更有效地利用稀有营养物质。
可以说，感染、共生和多细胞性，都为生命形式提供了不同的方法来对抗铁的稀缺。对这些策略的采用，可以推动早期生命形式变得更加复杂，并进化成我们今天看到的样子。
三
地球向我们展示了铁的重要性。对铁的需求可以作为生物进化的一种驱动。早期地球上的可供生物获取的铁，以及随后在地球表面的氧化过程中失去的铁，为地球提供了独特的环境压力，促进了从更简单的生命前体进化出复杂的生命。
在如此长的时间尺度上出现这种转变是罕见的，这意味着在地球附近的其他行星上出现高级生命形式的可能性或许很低。不过，通过评估系外行星地幔中铁的含量，或许能帮助科学家缩小对能够维持生命的系外行星的搜索范围，为我们找到这样的稀有星球提供帮助。
参考来源：
https://theconversation.com/how-changing-levels-of-iron-shaped-the-evolution-of-life-on-earth-and-why-alien-hunters-should-take-note-172821
https://www.ox.ac.uk/news/2021-12-07-iron-integral-development-life-earth-and-possibility-life-other-planets
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨