این مقاله در ابتدا در گفتگو. این نشریه مقاله را در اختیار Space.com قرار داد رای کارشناسان: Op-Ed & Insights.
هال دریکسمیت، استاد زیست شناسی آهن در دانشگاه آکسفورد
جان وید، دانشیار مواد سیاره ای در دانشگاه آکسفورد
خون سرخ ما پر از آهن است. ما برای رشد و ایمنی به آهن نیاز داریم. حتی به غذاهایی مانند غلات اضافه می شود تا اطمینان حاصل شود که مقدار کافی این ماده مغذی در رژیم غذایی برای جلوگیری از کمبود آهن وجود دارد.
با این حال، در مقیاس بسیار متفاوت، در طول توسعه حیات در سیاره زمین برای میلیاردها سال، کمبود آهن ممکن است تکامل را تحریک کرده باشد. بر اساس مطالعه جدید ما که در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر شده است، افزایش و کاهش سطح آهن در سیاره ما ممکن است به موجودات پیچیده اجازه تکامل از اجداد ساده‌تر را داده باشد.
سیارات زمینی در منظومه شمسی ما - عطارد، زهره، زمین و مریخ - دارای مقادیر متفاوتی از آهن در گوشته های سنگی خود هستند، لایه زیر بیرونی ترین پوسته سیاره ای. گوشته عطارد کمترین آهن و مریخ بیشترین آهن را دارد. این تغییر به دلیل تفاوت در فاصله از خورشید است. این نیز به دلیل شرایط متفاوتی است که در آن سیارات در ابتدا هسته های آهن غنی از فلز خود را تشکیل دادند.
متصل: این 10 سیاره فرا فراخورشیدی خارج از این جهان هستند
مقدار آهن موجود در گوشته چندین فرآیند سیاره ای از جمله حفظ آب های سطحی را تنظیم می کند. و بدون آب، زندگی آنگونه که ما می دانیم نمی تواند وجود داشته باشد. مشاهدات نجومی سایر منظومه های شمسی می تواند تخمین آهن موجود در گوشته سیاره را ممکن کند، که به محدود کردن جستجو برای سیاراتی که قادر به وجود حیات هستند کمک می کند.
آهن علاوه بر کمک به زیستگاه سیاره ای، برای بیوشیمی ضروری است که امکان وقوع حیات را فراهم می کند. آهن دارای ترکیبی منحصر به فرد از خواص، از جمله توانایی تشکیل پیوندهای شیمیایی در جهت گیری های متعدد و سهولت نسبی به دست آوردن یا از دست دادن یک الکترون است. در نتیجه، آهن واسطه بسیاری از فرآیندهای بیوشیمیایی در سلول ها است، به ویژه با اجازه دادن به کاتالیز - فرآیندی که واکنش های شیمیایی را تسریع می کند. فرآیندهای متابولیکی که برای زندگی حیاتی هستند، مانند سنتز DNA و تولید انرژی سلولی، به آهن متکی هستند.
ما در کار خود میزان آهن موجود در دریاهای زمین را برای میلیاردها سال محاسبه کرده ایم. سپس به تأثیر روی تکامل مقادیر عظیمی از آهن که از دریاها می ریزد نگاه کردیم.
آهن در طول قرن ها
وقایع اصلی شکل‌گیری ژئوشیمی، که به بیوشیمی، زندگی تبدیل شده‌اند، بیش از 4 میلیارد سال پیش رخ داده است. و اتفاق نظر وجود دارد که آهن یک عنصر کلیدی در این فرآیند است. شرایط زمین اولیه با شرایط فعلی بسیار متفاوت بود. به طور خاص، تقریباً هیچ اکسیژنی در اتمسفر وجود نداشت، به این معنی که آهن به راحتی در آب به عنوان "آهن-آهن" (Fe2 +) محلول بود. فراوانی آهن مغذی در دریاهای اولیه زمین به توسعه حیات کمک کرده است. با این حال، این "بهشت سیاه" ادامه نخواهد یافت.
اکسیژن رسانی بیش از حد منجر به ظهور اکسیژن در جو زمین شد. حدود 2.43 میلیارد سال پیش به وجود آمد. این امر سطح زمین را تغییر داد و باعث از دست رفتن آهن محلول از بالای اقیانوس و آب های سطحی سیاره شد. دوم، یک "رویداد اکسیژن رسانی" جدیدتر، یعنی نئوپروتروزوییک، بین 800 تا 500 میلیون سال پیش رخ داده است. این امر غلظت اکسیژن را حتی بیشتر می کند. در نتیجه این دو رویداد، اکسیژن همراه با آهن و گیگاتون های اکسید شده، نامحلول، "آهن" (Fe3 +) از آب های اقیانوس سقوط کرد و برای اکثر اشکال حیات غیرقابل دسترس شد.
زندگی یک وابستگی اجتناب ناپذیر به آهن ایجاد کرده - و حفظ می کند. از دست دادن دسترسی به آهن محلول عواقب جدی برای تکامل حیات روی زمین داشت. رفتاری که اکتساب و استفاده از آهن را بهینه می کند، مزیت انتخابی آشکاری خواهد داشت. ما هنوز هم می‌توانیم این را در تحلیل ژنتیکی عفونت‌های امروزی ببینیم: انواع باکتریایی که قادر به استخراج موثر آهن از میزبان خود هستند، در چند نسل کوتاه بهتر از رقبای کم‌توان عمل می‌کنند.
یک سلاح کلیدی در این نبرد برای آهن "سایدروفور" بود - یک مولکول کوچک که توسط بسیاری از باکتری‌ها تولید می‌شود و آهن اکسید شده (Fe3 +) را جذب می‌کند. سیدروفورها پس از اکسیژن‌رسانی بسیار مفید شده‌اند و به ارگانیسم‌ها اجازه می‌دهند آهن را از مواد معدنی حاوی آهن اکسید شده جذب کنند. با این حال، سیدروفورها همچنین به سرقت آهن از موجودات دیگر از جمله باکتری ها کمک می کنند. این تغییر تمرکز، از کسب آهن از محیط به سرقت آن از سایر اشکال حیات، پویایی جدیدی از تعامل رقابتی بین پاتوژن‌ها و میزبان‌های آنها ایجاد می‌کند. به لطف این روند، هر دو کشور به طور مداوم برای حمله و دفاع از منابع آهن خود در حال تکامل بودند. برای میلیون‌ها سال، این انگیزه رقابتی قدرتمند منجر به رفتارهای پیچیده‌تر فزاینده‌ای شده است که منجر به موجودات پیشرفته‌تر شده است.
با این حال، استراتژی‌هایی غیر از دزدی می‌توانند به رفع اعتیاد به مواد مغذی کمیاب کمک کنند. یکی از این نمونه ها رابطه همزیستی همکاری است که منابع را به اشتراک می گذارد. میتوکندری ها سرشار از ماشین های تولید کننده آهن هستند که در ابتدا باکتری بودند اما اکنون در سلول های ما یافت می شوند. بسیاری از سلول ها که به عنوان ارگانیسم های پیچیده در کنار هم قرار می گیرند، امکان استفاده موثرتر از مواد مغذی کمیاب را نسبت به موجودات تک سلولی مانند باکتری ها فراهم می کنند. به عنوان مثال، مردم 25 برابر بیشتر از ما در رژیم غذایی خود آهن بازیافت می کنند. از نقطه نظر آهن، عفونت، همزیستی و چند سلولی ابزارهای متفاوت اما شیک زندگی را برای مقابله با محدودیت آهن فراهم می کند. نیاز به آهن ممکن است تکامل را شکل داده باشد - از جمله زندگی همانطور که امروز می شناسیم.
زمین نشان می دهد که طعنه آمیز بودن چقدر مهم است. ترکیب زمین اولیه با آهن زیستی و حذف متعاقب آن آهن در طی اکسیداسیون سطحی، فشارهای محیطی منحصر به فردی را ایجاد کرده است که تکامل حیات پیچیده را از پیشینیان ساده‌تر تسهیل می‌کند.
این مجموعه خاص از شرایط و تغییرات برای چنین مقیاس های زمانی طولانی احتمالاً در سیارات دیگر غیر معمول است. بنابراین، احتمال وجود سایر اشکال حیاتی پیشرفته در همسایگی فضایی ما ممکن است اندک باشد. با این حال، نگاه کردن به فراوانی آهن در جهان‌های دیگر نیز می‌تواند به ما در کشف چنین جهان‌های کمیاب کمک کند.
این مقاله توسط The Conversation با مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.
تمام سوالات و بحث های Expert Voices را دنبال کنید - و بخشی از بحث شوید - در فیس بوک و توییتر. نظرات بیان شده متعلق به نویسنده است و لزوماً منعکس کننده نظرات ناشر نیست.