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氧气是地球生命的基础。大约25亿年前的大氧化事件，使大气中氧气激增，随之而来的是地球上多细胞生命开始蓬勃发展。不过，牛津大学研究人员发现，另一种元素铁在生命的蓬勃发展过程中发挥了至关重要的作用。研究结果于2021年12月发表在《PNAS》。
铁是现代生命所需的蛋白质和酶系统中不可替代的成分，参与了DNA合成、光合作用和呼吸代谢等生命活动。在地球形成的早期，可能由于外太空陨石撞击带来了大量的地质铁，在地幔和地壳中都含有大量的铁元素。古老的海洋可以溶解铁，因此海洋中含有丰富的铁元素。与现代真核生物或多细胞生物相比，更古老的细菌和古细菌等单细胞生命形式，则更多地依赖于铁生存。
26亿年前大氧化事件(GOE)后，大气中氧气的逐步上升有效地从海洋中去除了数十亿吨可溶性亚铁，可溶性铁变得稀缺，细胞间对铁的竞争开始加剧。单纯的矿物来源已经无法支撑生命，因此对铁的获取方式重新集中在生物来源上。通过感染、捕食和内共生等其他生命形式的行为来获取铁，而且随着时间的推移，三种行为相互演变，例如，最初的剥削性感染可能会变成相互共生。
细胞对铁的竞争引发了多细胞进化，进化出一种新的获取铁元素的生存形式，即有机小分子铁载体，这是几乎所有现代细菌和植物都有的结构，表明现代生物在铁环境的波动中学会了更有效地使用铁元素。由于铁独特的电化学特性，不能被其他元素广泛替代，使得铁在生物系统中始终保持优势。例如，古细菌只能在氧化铁上生长，而现代真核生物只要有生物形式的铁就可以生存。真核多细胞性允许生物体内的铁循环，能够更有效地利用稀缺但至关重要的铁元素。
因此，地球生命的起源可能得益于地幔/地壳中丰富的铁，当铁变得稀缺时，促使生命形式开始变得复杂。由于铁元素在全球范围内随地质时间框架而大幅波动，推动了地球上的生物进化。研究人员表示，从这一研究结果可以得到两个重要提示，其一，如果在地外行星上发现了含量足够丰富的铁元素，可能预示着那儿曾经存在一些简单的生命形式；其二，鉴于大气中CO2的增加可能会引发食物链中铁的缺乏，有必要更多地了解在铁元素的潮起潮落中生命是如何进化的。
参考文献：Temporal variation of planetary iron as a driver of evolution, PNAS, 2021, 118(51), e2109865118.
责编：朱张航宇