生命背后的金屬

胡勇

說起生命，我們通常會想到細胞，或者攜帶遺傳密碼的基因，也許還有承擔著許多生命活動的蛋白質，這些都是對生命至關重要的因素。

然而，還有一種因素也非常重要，這個因素就是金屬。相對于其他幾種結構復雜的因素來說，金屬要簡單得多，它只是一些金屬原子的集合。但就是這樣簡單卻又容易被人忽略的元素，給早期的生命創造了適宜的生活環境，以幫助生命物維持正常的生理活動。

生物與環境之間的橋梁

在地球剛剛形成后的數億年時間里，大氣中沒有氧氣，地球上最早期的生命是一種單細胞的細菌——藍藻。

藍藻會消耗二氧化碳和陽光，產生有機碳氫化合物和氧氣，但藍藻是一種厭氧細菌，即氧氣對藍藻來說是有害的，大量氧氣會殺死藍藻。然而，就在此時，金屬元素鐵充當了生物和環境之間的接口，保證了早期生命形式的存活。早期的海洋中有大量的鐵離子，這些鐵離子可以和氧氣發生反應，生成氧化鐵，氧化鐵不溶于水，它們是一顆顆的微粒，最后沉積到海洋的底部。

上述的過程降低了海洋中氧氣的濃度，但鐵的濃度也會降低。隨著鐵濃度的下降，海水中氧氣的濃度會再次升高，藍藻開始死亡。隨著藍藻的死亡，產生的氧氣減少了，海洋中鐵的濃度又會慢慢恢復，藍藻種群也再次繁盛起來，這樣就形成循環。在這種循環的過程中，沉積在海洋底部的氧化鐵，會形成一層一層的紅色地層，那些層層疊疊的紅色就是鐵曾調節海洋環境、幫助藍藻生活的證據。

金屬元素不可或缺

除了幫助改變環境，使生物得以生存外，金屬還幫助生物維持基本的生命活動。以人為例，已知人體必需鈉、鎂、鉀、鈣四種常量金屬元素和鐵、銅、錳、鋅等11種微量金屬元素，這15種金屬影響著人體的活動。例如，我們需要鈉來維持體內水平衡、酸堿平衡和神經肌肉的應激性等;鎂是構成骨骼、牙齒的主要成分，還可以調節神經和肌肉的活動。每種金屬都有其特定的生命功能，金屬的濃度過高或者過低都會對生命活動造成影響。

大約20億年前，地球曾經歷了一次大氧化事件，即大氣中的氧氣含量突然增加，高濃度的氧氣加快了鐵的氧化，生物可用的鐵濃度降低了。同時，銅、鋅、鉬等其他一些金屬被氧化后，變成了可以溶于海水的化合物，這樣能被生物利用的金屬在海水中的含量增加了。

因為金屬對生物來說是不可或缺的，所以海水中金屬元素含量的變化，促使生物開始進化，由利用鐵逐漸改為利用那些更容易獲得的金屬，比如鉬，一些海洋生物將鉬用作催化劑，鉬參與了生物體內的許多生化反應。

金屬和生命的聯系是如此緊密，因此，我們應該改變或者拓寬我們對于生命的認識。也許在我們尋找外星生命時，我們不應該只局限于尋找復雜的有機分子，金屬也可以作為重要的線索。