《生命起源背后的经典金属

W当我们想到生命时，我们通常会想到柔软、湿滑的东西。或者我们可以想到“基因组”:携带我们遗传密码的基因组;或者蛋白质组，也就是这些基因组装的蛋白质的集合;或者代谢组，促进我们新陈代谢的小分子。这些都是现代生物学的经典基础。

我们通常不会想到的是金属对应物，叫做金属组。当其他“组”充满了复杂的结构和复杂的生物机械时，金属组要简单得多。它只是金属原子的集合。

尽管如此，它还是做了一些了不起的事情。它使其他天体的核心化学物质成为可能，充当了它们与不断变化的地球环境之间的界面，并在30亿年的时间里帮助推动了生命本身的进化。

这个新的“ome”应该和那些伟大的人在一起。这是典型的金属。

还在进化过程中

只是因为它是天然的，并不意味着它是好的

大卫·p·巴拉什(David P. Barash)著

反疫苗者和反转基因活动者有什么共同之处?支持这两个“对立面”的是一个共同的信念，即因为疫苗和转基因生物是“非自然的”，它们是不好的，这对许多人来说——不管他们对疫苗和转基因生物的感觉如何——都转入了它的对立面:什么是自然的……阅读更多

C想想铁的历史吧，铁是金属中的一种金属。早期的海洋是由铁原子主导的，铁原子是双正电荷离子(Fe^２＋）.它们极易溶于水，因此可以作为一种“营养物质”，可被海洋生物(如单细胞蓝藻细菌)用于基本的催化功能。

铁的用处不止一个。这些早期的生命形式消耗二氧化碳和阳光来产生复杂的有机碳氢分子，以及副产品氧气。不幸的是，这种氧气对它们是有毒的。这时，铁离子又派上了用场:它们通过电子交换过程将蓝藻细菌呼出的有毒氧气清除到海水中，产生三重带电的铁原子(Fe)^３＋)和含氧的化学物质。人们的反应是这样的:

这次铁的拯救也是利他和自毁的。由该反应产生的三价铁离子容易形成氧化铁(Fe₂O_3.)，这是非常不溶的海水。结果，铁从海洋中沉淀出来，以细颗粒的形式落到海底，大大降低了海洋中的铁浓度。这意味着细胞内部的化学反应不再需要铁，有毒氧浓度开始增加，蓝藻开始死亡。

这在蓝藻种群中形成了一个繁荣-萧条的循环，类似于捕食者-猎物的循环。随着蓝藻的消亡，产生的有毒氧气减少了，海洋中的铁浓度恢复了，蓝藻的数量也恢复了。我们可以在曾经是古代海洋沉积底部的区域看到这种循环过程的记录，以暴露的岩石的形式，含有红色的氧化铁(Fe₂O_3.)点缀着腐朽的蓝藻细菌的细胞碎片的灰色层。这些所谓的带状铁构造是金属作用的地质记录。

金属元素不仅帮助早期生命履行其基本功能，还帮助它们适应不断变化的地球。大约20亿年前，地球经历了一次大氧化事件(GOE)。光合细菌的数量增长到足以产生足够高的海洋氧气，使其逃逸到大气中。

这是一个关键事件:当氧气水平上升到接近现代水平时，大气的组成发生了戏剧性的变化。这些高含量反过来又增加了可溶铁的含量^２＋被氧化成不溶性铁^３＋，但它也增加了海洋不溶性金属硫的速度ide盐(与硫结合的金属)被氧化产生可溶的sul命运盐(与硫和氧结合的金属)。随着生物有效铁水平的降低，铜、锌和钼的有效性都增加了，因为它们的盐变得可溶。

这导致了细胞化学的一系列变化。海洋生物曾经使用钨作为氧原子转移催化剂，它开始使用钼。钼实际上是一种效率更高的催化剂，但已被困在一种不能溶解的形式中。GOE还通过转化可溶铁(Fe^２＋)到不溶性氧化铁(Fe₂O_3.）.因此，细胞通过在铁离子表面涂上一层有机分子涂层来适应，防止它们被水水化，并以氧化岩石的形式沉淀出海洋。这种生物“M&M”是水溶性的，对细胞是生物可利用的。M&M是用一种叫做siderophores的有机隔离剂(来自希腊语)制成的。帮派成员"为铁和"phore“意思是携带)，微生物至今仍在使用它将铁带入内部。

T这里有许多金属组驱动基因组和蛋白质组变化的其他实例。例如，海鞘使用一种叫做血青蛋白的含铜蛋白质结合和运输氧气，而我们人类使用的是含铁蛋白血红蛋白。这种多样性说明金属是如何在进化过程中赋予生命更大的灵活性的。这里也有一些谜团。海鞘已经进化到将钒浓缩在细胞中超过1000倍，原因尚不清楚。一些人认为钒可能参与氧气运输和呼吸，但尚不清楚为什么血青素不够。

金属元素甚至改变了我们对其他星球生命的看法。驱动自我复制的循环化学反应——我们可以称之为“生命”——所需的能量可能来自金属元素的反应。我们对外星生命的探索不应该局限于寻找复杂有机分子的残余。还有另一个明确的目标，有点科幻的味道:太空中的重金属。

的Metallome
具有说明性生物功能的维持生命的金属一览表

钠:神经功能，渗透压平衡，细胞充电稳定性
钾:神经功能，渗透压平衡，细胞充电稳定性
镁:植物光合作用，结构稳定剂
钙:骨骼结构形成(牙齿、骨骼)，控制信号触发
钒:氧反应的催化剂，可能参与氧的输送
铬:可能与胰岛素功能有关
锰:某些酶的激活剂，植物光合作用铁:氧气运输和储存，电子运输催化剂
钴:细胞分裂，维生素B的组成部分₁₂
镍:氢活化，催化保护免受有毒超氧化物
铜:呼吸链电子传递催化剂，保护催化免受有毒超氧化物的侵害
锌:超酸催化剂、酶激活剂、血液pH控制
钼:植物固氮，氧原子转移催化剂
钨:氧原子转移催化剂

*这个列表包含支持基本生命过程的金属。并非所有的生物体都需要上述所有的金属，也并非所有生物体都需要上述所有的金属。然而，有些金属元素是所有活细胞所必需的，例如铁，它是99%以上已知细胞所必需的营养物质。金属体中的金属虽然具有特定的生命激活功能，但如果在错误的细胞位置、错误的浓度出现，它们也可能是有毒的。因此，在生命系统中，金属组虽然必不可少，但也必须受到基因组和蛋白质组的精心控制。

Al Crumbliss，杜克大学杰出服务教授，国际生物金属学会候任主席，美国科学促进会会员，美国化学学会会员，英国皇家化学学会会员。