所有生物都需要少量的金属来完成各种生物任务，例如呼吸、DNA 转录以及将食物转化为能量等其他重要的生命功能。
自地球原始海洋中第一个单细胞生物出现以来，金属就一直发挥着这一作用。近50%的酶——在细胞中促进化学反应的蛋白质——依赖于金属，其中许多金属属于周期表中被称为过渡金属的类别。
来自密歇根大学、加州理工学院和加利福尼亚大学洛杉矶分校的一组研究人员提出，铁是生命利用的第一个也是唯一的过渡金属。他们的研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上。
密歇根大学地球与环境科学系的助理教授贾娜·约翰逊表示：“我们提出一个大胆的假设：铁是生命的第一个且唯一的过渡金属。我们认为生命只依赖于它能够与之相互作用的金属，而富含铁的早期海洋掩盖了其他过渡金属的存在。”
为了研究这一理论，约翰逊与UCLA的教授琼·瓦伦丁和加州理工学院的研究员泰德·普雷森特合作。
作为生物无机化学家的瓦伦丁专注于了解原始生命如何从微观形式演变为我们今天所拥有的复杂生物。她特别好奇早期生命中存在的金属，这些金属使得基本的生物过程得以进行。她经常遇到其他科学家声称地球的海洋在行星形成早期充满铁。
瓦伦丁解释道：“在生物化学和生物无机化学中，铁被视为微量元素，仅以极少的数量存在。因此，当同事告诉我铁不仅仅是一种微量元素时，我感到震惊。”
约翰逊和普雷森特研究铁的形成及早期海洋生物地球化学，他们知道地质证据表明早期海洋富含铁，特别是以名为Fe(II)的离子形式存在。Fe(II)容易溶解在水中，并在约 40 亿到 25 亿年前的太古代时期主导了海洋。
太古代时期的结束以大氧化事件为特征，这标志着能够进行氧气产生光合作用的生物的进化。研究人员报告称，在接下来的十亿年里，地球的海洋从富含铁的厌氧环境转变为我们今天所见的富含氧的水域。这个转变也将Fe(II)转化为Fe(III)，使其不溶解。
虽然约翰逊和普雷森特认识到地质学家对这一时期铁的广泛存在是知情的，但在与瓦伦丁讨论后，他们意识到铁可能对最早的生命形式产生的影响。
为了研究这一影响，普雷森特设计了一个模型，以更新关于生命起源时地球海洋中可能存在的各种金属（包括铁、锰、钴、镍、铜和锌）浓度的预测。团队估计了这些元素对原始生命的最大可访问浓度。
普雷森特指出：“大氧化事件期间最戏剧性的变化并不一定是其他微量元素的浓度，而是溶解铁浓度的显著降低。这种生活‘感知’水中元素的方式的转变尚未得到充分研究。”
在确定早期海洋中可用的金属后，团队调查了简单的生物分子在富含铁的溶液中能与哪些金属结合。
约翰逊表示：“我们认识到铁必须发挥多种作用。生物分子可以捕捉镁和铁，但锌无法适应——也许镍在特定情况下可以结合，但锌很难竞争。钴几乎无法检测到，锰也基本上不可察觉。海洋中铁浓度的巨大差异显著影响了生物分子对其环境中元素的结合和认知。”
为了评估铁是否可以在目前依赖其他金属的金属酶中发挥作用，瓦伦丁和约翰逊探索了现有的科学文献，以识别现代生命如何利用特定金属。他们经常发现铁或镁可以作为替代品。金属酶通常使用特定金属（如锌），并不意味着其他金属也无法发挥作用。
瓦伦丁说道：“锌和铁的比较特别引人注目，因为锌无疑对当今生命至关重要。生命缺乏锌的概念最初让我难以理解，直到我们调查并发现只要铁保持在其可溶形式（Fe (II)），它在这些酶中往往比锌起到更有效的作用。”
普雷森特提到，随着铁的氧化，使其在大氧化事件后生物可利用性降低，生命不得不通过将其他金属纳入其酶来进行适应。
普雷森特评论道：“生命中铁的量远远超过其他金属，无法预见向这些元素的复杂管理演变。随着铁的丰度减少，生命被迫适应并利用其他金属以求生存，从而开启了新的功能，最终导致我们今天观察到的丰富生物多样性。”
