鐵含量變化對地球生命進化的影響——外星生命搜尋者請關注

我們紅色的血充滿了鐵元素。我們的成長和免疫都需要鐵。它甚至被添加到食物當中，比如麥片，以確保食物裏面有足夠的營養物質防止缺鐵。

但是，在一個非常特殊的尺度上來說，在地球上生命發展的上千年中，缺鐵可能促進生物的進化。根據我們的最新發表的《美國國家科學院院刊》上的文章研究，在我們星球上上升和下落的鐵含量可能使複雜的生物體從簡單的原始生物進化而來。

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岩石層中含有不同數量的鐵。水星的地幔含鐵最少，而火星的含鐵最多。這是由於與太陽的距離不同而形成。以及歸因於行星最初形成其金屬、富鐵核心的各種條件。

地幔中的鐵起著調節幾個行星過程的作用，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。對其他太陽系的天文觀測可能有助於估算行星的地幔層鐵含量，有助於縮小對可能孕育生命的行星的搜索範圍。

除了有助於地球的宜居性外，鐵也是生命萌芽的生物化學基礎。鐵具有獨特的綜合性質，包括在多個方向上形成化學鍵的能力和相對容易獲得或失去一個電子的能力（這會讓它在特定環境中比較溶於水）。因此，鐵介導細胞中的許多化學反應過程，特別是催化作用。代謝過程對生命至關重要，如DNA合成和細胞能量生成，依賴於鐵。

在我們的工作中，我們計算了數十億年來地球海洋中的鐵含量。然後，我們考慮了大量鐵從海洋中脫離對進化的影響。

歷代鐵器

地球化學演化為生物化學，生命的最初形成事件發生在40多億年前。人們普遍認為，鐵是這一過程的關鍵因素。早期地球的環境與現在截然不同。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+）的形式溶於水。地球早期海洋中豐富的營養鐵有助於生命的進化。然而，這個“黑色天堂”並沒有持續下去。

大氧化事件導致地球大氣中出現氧氣。它發生在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。這兩次事件的結果是，氧氣與鐵和數以十億噸計的氧化、不溶性“三價鐵”（Fe3+）結合，從海水中脫離，大多數生物無法溶水性汲收。

生命已經發展並維持了以鐵元素為集合的營養構成。失去可溶鐵對地球上生命的進化具有不可挽回的影響。優化鐵的獲取和使用方式的行為具有明顯的天然優勢。我們仍然可以在今天的傳染病研究的遺傳基因分析中看到區別：能夠有效清除宿主體內鐵的細菌變種在短短幾代中比能力較弱的競爭對手做得更好。

這場爭奪鐵的戰爭中最關鍵的武器是含鐵細胞--那是一種許多細菌都可以生成的，能夠捕獲氧化鐵（Fe3+)的小分子。在氧化作用後，含鐵細胞變得更加有用，它使得機體能夠從含有氧化鐵的礦物質中吸取鐵。然而，含鐵細胞還可以從其他機體，包括細菌中偷取鐵。從周圍環境中獲取鐵，轉變為從其他生命體中偷取鐵，這一目標轉換，在病原體和宿主之間建立起了動態競爭互動。感謝這一進程，使得雙方都連續進化，從而進攻和防護它們的鐵資源。在數百萬年的強力競爭驅動下，產生了異常複雜行為，導致更加高級的生物體形成。

然而，除了偷竊之外，其他策略也可以幫助解決對稀有營養素的依賴。其中一個例子就是共享資源的共生合作關系。線粒體是富含鐵、能產生能量的機器，最初是細菌，但現在居住在我們的細胞中。與單細胞生物（如細菌）相比，多個細胞聚集在一起形成的複雜生物能夠更有效地利用稀有營養。例如，人類每天回收的鐵是我們從飲食中攝取的鐵的25倍。從鐵偏見的觀點來看，感染、共生和多細胞性為生命體提供了不同但優雅的方式來抵消鐵的限制。對鐵的需求可能影響了進化，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後在表面氧化過程中去除的鐵的結合，提供了獨特的環境壓力，促進了複雜生命從簡單的前體演化而來。

在如此長的時間尺度上，這些特定的條件和變化並不常見。因此，宇宙臨近行星上發現其他高級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

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