生命炼金术（3）---金碳奇缘
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内容导读：
碳基生命的诞生与繁荣昌盛离不开金属元素的鼎力相助：金属离子不仅为生命带来了多姿的色彩，它们还是很多生命活动的实际执行者，人类文明离不开冶金技术的出现和对金属单质的利用，最重要的是，若没有金属离子的存在，生命可能根本不可能在地球上诞生。
阅读用时：全文约3600字，约7分钟
关键词：金属元素、碳基生命、有机分子
《变形金刚（Transformers）》中，以擎天柱（Optimus Prime）和大黄蜂（Bumblebee）为代表的博派（Autobot）与以威震天（Megatron）和红蜘蛛（Starscream）为代表的狂派（Decepticon）都来自赛博坦星球（Cybertron）。与我们不同的是，这些变形金刚们组成身躯的主要元素是金属；而地球上所有生命的基本元素却是碳。
宇宙中是否存在着以其他元素为基础的生命形式？对于这一点科学界还有所争议，但毫无疑问，我们所能见到的所有生命都是以碳为基础的，称为碳基生命。电影中，变形金刚作为少数派，被人类利用或着爱戴，在地球上掀起了一波波浪潮，他们与人类的恩怨跌宕起伏，引人入胜。
而地球上40亿年的生命史中，金属元素也是生命中的少数派，但其与碳基生命之间的故事却也纠缠曲折，不遑多让。
《天工开物》中的炼铁图
在冶金技术发展起来之前，石器时代及以前的人类对金属的认识可能仅仅来自于自然金——这一著名的惰性金属几乎是原始人们能见到的唯一金属单质（有多种金属均在自然界中存在着单质形态，如银、铜、铂，甚至铁和铝也有单质形态被发现，但极为罕见。）。而其他大部分的金属元素，往往以离子（游离态或固态盐）的形式存在于水体、土壤及岩石之中。
这实际上要归功于地球大气中多余的氧气——在氧气存在的条件下，大部分非惰性金属均会很快被氧化成正价离子。而接下来我们将会看到，正价的金属离子，在生命中是不可或缺的，若是没有这些金属离子，生命可能无法诞生。
上排：自左向右依次是自然铜、自然银与自然金
下排：自左向右依次是自然锇、自然铱、自然铂
（引自果壳网）
自然界中的宝石是五颜六色的，其色彩大部分是源自其内部的金属离子。例如，在中国传统文学中经常出现的祖母绿是一种名贵的宝石，通体显墨绿色，非常漂亮，其主要成分都是绿松石，即铍-铝硅酸盐矿物；而另一种美丽的宝石——海蓝宝石的主要成分也是绿松石，却是洋溢的海蓝色。原因在于祖母绿中含有少量的钒离子，而海蓝宝石含有少量铁离子，它们因之显现了不同的颜色。
宝石的颜色很多都是来源于金属离子的显色反应，可以说正是金属离子的存在才让地球上的无机世界如此色彩斑斓。
不同颜色的宝石
有机世界的多姿多彩部分也得归功于金属离子。
有些有机分子的显色反应来自于其共轭结构，例如褐藻类的褐色来自于褐藻素、胡萝卜鲜艳的橙色来自于胡萝卜素，它们不含金属离子，其颜色来自于有机分子共轭结构的特征吸收波长；有些有机分子的颜色来自于其中所包含的金属离子，例如前文提到的血蓝蛋白，其蓝色来自于血蓝蛋白中间包裹着的铜离子；
更多的有机分子的颜色来自于金属离子对共轭结构特征吸收光谱的改变。前文提到的大名鼎鼎的卟啉结构，其共轭结构的特征吸收光谱使其显紫色，然而结合了铁离子后就会显鲜艳的红色（血红素）、结合了镁离子后就会显青翠欲滴的绿色（叶绿素），这是因为金属离子改变了卟啉的共轭结构。
卟啉等有机分子的这一特点给人类带来很大的启发，人们因之创造出很多新的有机色素。就拿酞菁来说，它的结构与卟啉十分类似，中间也有一个镶嵌孔，只不过跟卟啉相比，酞菁的镶嵌孔要灵活的多——它能结合70多种不同的元素，这包括了几乎所有金属和一部分非金属。人类因此可以用它来制造功能不同的材料，例如可以当做有机染料用的酞菁铜，它是蓝色的。
酞菁基本结构
金属离子在生命中的作用远不止显色这么简单，在那些巨大而复杂的碳基大分子中镶嵌着的它们往往行使着关键的作用，例如前文（生命炼金术（1）--蓝血贵族）提到的血红蛋白就是一个很好的例子，巨大的血红蛋白分子中，真正行使携氧功能的是中间的铁离子；乳铁蛋白最初在牛奶中发现，是重要的免疫组分，具有抗菌活性，而其抗菌活性正是来自于铁离子的作用；铁硫蛋白是一类重要的金属蛋白，包括铁氧还原蛋白、氢化酶、固氮酶等等，这些蛋白的共同特点是其内部含有铁硫簇——而这个铁硫簇也正是其行使各种功能的功能单元。
铁硫蛋白IspH结构图
这样的例子不胜枚举。据估计，一半以上的蛋白质中镶嵌着金属离子；而另一个统计显示，有1/4到1/3的蛋白质的功能，是由它们携带的金属离子去执行的。有人形容这些大分子与金属离子结合的配位就像一个口袋，装着行使功能的小小金属离子。
这真是令人叹为观止：生命制造了各种各样复杂而灵巧的蛋白机器，只是为了将行使功能的金属离子小心翼翼的镶嵌于其中。而这样巧夺天工的分子炼金术，远在智慧与文明出现以前，远在人类出现以前，远在脊椎动物出现以前，甚至远在多细胞生物诞生之前，生命就开始利用环境中的各种金属离子，制造出了数不胜数的巨大的有机机器。
两种不同的铁硫簇形式
实际上，金属离子对于生命最重要的意义可能是：没有金属离子，生命可能根本无法诞生。有机生命体的生命活动依赖于各种强弱不同的氧化还原反应，呼吸作用是氧化还原反应，光合作用也是氧化还原反应；氧气的运输依赖于铁离子的氧化还原特性，电子传递链中电子的传递也依赖于一系列酶的氧化还原特性。
各种金属离子形成了从强到弱的氧化还原特性谱带——从最强的钠与钾（大部分以游离离子形式存在），到中等强度的铁铜镁（大部分嵌合到大分子中，或者以无机盐形式存在），再到惰性的金银铂（大部分以单质形式存在）。
它们的不同氧化还原强度决定了其在生命中的不同作用，生命利用这些不同程度的氧化还原反应进行着各种生命活动。血红素选择铁离子作为携氧分子，就是因为铁离子的氧化还原特性中等——也即对氧气的结合能力中等，既不会太弱无法结合，又不会太强而无法脱离。
有一个叫做铁硫世界学说（Iron–sulfur world theory）的假说认为，早期生命可能在铁的硫化物（iron sulfide）矿物质（即原始的铁硫簇）的表面形成，因为这些铁硫簇的氧化还原特性能促进碳基分子的氧化还原反应——正如它们现在在生命体中做的那样——而这可能形成了最初的那些有机大分子。
这一假说目前还充满争议，但至少有一点是毋庸置疑的——最初的生命很可能利用了金属的氧化还原反应特性，来建造有机大分子。
在碳基生命漫长的40亿年历史中，都是与金属离子相伴相随，两者的结合越来越精密复杂，也越来越密不可分。但是，直到几万年前——人类诞生几十万年后，生命都极少能利用金属单质。众所周知，很少有金属以单质的形式存在于地球上，它们多以离子的形式存在，但如今，我们却生活在金属单质的包围中：电线（铜丝等）传输着我们必需的电力，铁轨布满整个地表，更遑论随处可见的铁锅铝盆金首饰。
没有金属单质，整个人类文明将瞬间崩塌。可是，人类直到几万年前还不会冶炼金属，处于只能使用石器和骨器等的阶段。金属冶炼是人类文明发展史上重要的里程碑，以至于人类学家以是否能冶炼金属划分了一个时代——青铜时代。只有在最近的几千年，人类冶炼金属的技艺才不断进步，利用各种各样的金属，发展出了强大而兴盛的文明。
从这个意义上来说，人类对金属的利用算是一种质的飞跃吧。历经40亿年的时光，生命终于能够将金属离子还原为单质，并将这些金属单质应用于各个方面。
让我们重新梳理一下生命与金属那交缠的可能历史吧：
地壳中的金属单质被大气中的氧气氧化为离子形态，存在于最初的岩石与海洋中——那个时候，大气中的氧气因氧化还原反应被地壳中的元素消耗殆尽——就像金星与火星一样。最初的海洋与天空间进行着规模宏大的米勒实验，诞生了最初最简单的有机分子——这其中很可能包括卟啉分子，因为卟啉分子是极少可以通过无机反应合成的有机分子之一。
有机分子与金属离子共存于原始汤中，相互结合、分离、排列组合。最开始金属与有机分子可能形成一些简单的结构，例如携带金属离子的卟啉环，或者简单结构的铁硫簇。
随着生命的进化，这些结构越来越复杂，也越来精密，直到形成了生命世界众多的含金属有机分子。然后40亿年后，人类文明诞生，对金属的第二次应用出现在人类学会冶金之后。在之前，生命从环境中汲取金属离子，利用其氧化还原特性来进行特定的生命活动；
在人类之后，生命开始大规模从环境中提炼金属单质，利用其物理性质来进行特定的生产生活。而如果人类真的能冲出地球，冲出太阳系，那也必然要依赖金属的力量。此时，再次想起《变形金刚》中擎天柱说的那句话：“守护他们，守护他们的未来。”别有一番滋味。
/End.
编辑：Anymore
文字：鱼骨头段
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