地球生物为什么没有演化出依赖于铝元素的代谢途径？ 第1页

这个脑洞很有意思，先从自然选择的角度说，假设自然界出现了某种生物，依赖于铝的主要代谢途径，那它一定是活得非常艰辛。想象一下，它得从什么地方获取铝元素啊？空气和水都没希望，那就只能是土壤了。

但是土壤中的铝基本都是铝酸盐，主要骨架就是氧化铝。这玩意儿比二氧化硅还有骨气。高中化学里学过，氧化铝是两性氧化物，既怕酸又怕碱，但是这话漏了一个字——强，它是既怕强酸又怕强碱，而且结晶态的时候，一般强酸强碱腐蚀它都吃力。二氧化硅么，好歹在一般的碱性物质作用下，还都是多少会溶解一些，何况自然界还有水玻璃矿。

所以，从自然选择的角度看，以铝作为核心元素，不是什么好的策略。

那么，现在就要看看，铝会不会有某种特别的功能，让生物体欲罢不能呢？

我们可以想象一下铝有可能替代的角色，以人体为例。

1、简单金属阳离子，如钠、钾、镁（当然还有氢离子）；

钠和钾主要负责的是渗透压以及神经系统的一些工作，这一项铝离子是肯定无法替代了，因为铝离子在一般水溶液中根本就是溶胶而不是溶液，而钠和钾的核心工作都是水中作业，铝离子这个旱鸭子玩不转。

2、简单阳离子的沉淀物；

扫兴的铝离子一定觉得，这是个好机会，不料，这个活儿被钙给抢了，骨骼和牙齿都是它。那我们不妨让钙休息一会儿，换铝上。

铝元素干活儿倒是一把好手，但是很快就会出现两个问题，首先是铝离子干活效率太低。生命体组建骨骼，那也是要先从体液中过去。比方说人，那就是首先要溶于血液中，血液的pH值7.4 ± 0.05，相当于OH-的浓度是 10^-6.6，根据溶度积估算一下就知道，铝离子在血液中的浓度大约就是在10^-14这个数量级，人体4升血液中，总共能够含有大概1皮克左右，比血钙差了9个数量级。即使我们每次心跳都实现100%的血液循环，要想在骨骼中增加1毫克的铝，那么心跳也需要十亿次——心脏说，老子不干了，给普通人打工一辈子也跳不了几个十亿次（不好意思，为毛我一开始会算错？感谢评论区提醒）

铝离子不甘心，说血液是怎么搬运铁的？用个配体增加溶解度行不行？

于是血液借了个配体给它，估计还是卟啉环吧，在某种蛋白质的指挥之下，来到了骨骼中，开始干活儿。

但是没干多会儿，又出第二个问题了。活儿干得倒是马马虎虎，和磷酸根的合作也不错，水溶性小的问题似乎也没有那么重要了，这玩意儿忒不好结晶了。其实磷酸铝在医药中还是挺常用的，特别是治肠胃病的时候，通常就是以凝胶状态使用。工业上也有用它做胶黏剂的，可要是勉强固化了，它的硬度又太大。众所周知，牙齿是最坚硬的骨骼，越是硬的东西，往往就越脆，而且修复起来也就越难。所以，人的牙齿在换过牙之后就一副用到死，但是骨骼却不是这样的策略。

没办法，或许换个星球，重力与地球上不一样（我认为是更大的重力加速度下），用铝作为骨骼结构可能更合适，地球上没有必要。

3、氧气载体；

再次回到血液中的铝突然想，老子现在身披卟啉环了，那不就可以抢了铁兄弟的铁饭碗吗？

铁在血液中主要的任务是载氧，但是这个活儿，铝还真干不来——因为它不会变价。

铁和铝其实在很多方面还是很像的，比如地壳中含量都比较丰富，稳定价态都是三价，都很容易形成氢氧化物溶胶因而在水中溶解度低。但是，铁终究是第四周期的过渡元素，可以变为二价，它和氧气结合并释放的时候，其实利用的就是二价铁，于是三价的铝又打出了GG。实际上，三价铁在血液中并非不存在，但是会在一些机制的作用下被还原成二价铁，否则就无法载氧，而这种情况便是所谓的高铁血症。根据前面的类比可以猜测，只能三价的铝在生物体中实现载氧的可能性不大。（感谢评论区，这一段儿原来表述不清，已修改）

相比于前面说的钾钙钠镁，铁元素在身体中还真不是无法替代。实际上，锰和铜，在一定条件下都可以客串铁的作用。

但是没辙，这个活儿铝却干不来。

4、酶的中心原子；

铝元素心想，抢不过铁，还抢不过微量元素锌吗？锌虽然是过渡元素，可是只有一个价态。而且，它在自然界也不是很容易获取。

锌是很多酶（蛋白质）的中心，这个活儿看起来不难做。但是这个活儿，铝也干不来，因为这些酶看见铝就得蔫儿。铝的价态比较高，按照化学中的逻辑，它比较容易造成蛋白质变性，所以，能够接纳它的蛋白质不会太多，这时候还要它来作为酶的中心，怎么可能呢？更何况，锌之所以能在酶当中起到催化作用，和它的3d电子有莫大关系，掉了两个4s电子之后，3d电子就是最外层了，靠着它们和一些原子发生作用，这样才有催化性。而铝只有最外层的全空3d轨道，能侵入其中的配体都不太多，常见的只有氟和氧而已。水溶液下，铝和氨水尚不能配位，那么在蛋白质中，指望它和氮元素处好关系，那不是扯的么？顺便说一句，强如氰基这样的配体，也不能和铝配位。

所以，铝原子不善于作为蛋白质的配位中心，就算配上了，也起不了太多实际作用。

5、更微量的元素

我个人倾向于认为，自然界还是有一些生命体会将铝作为必需元素的。以人体为例，在合成胶原蛋白的时候，硅元素起了很重要的作用。但是，这个过程也有一些研究认为，其实铝也可以完成，而且速率差别也不大。所以，这个机制在早期生命中，会不会是铝和硅两种都有？对人体来说，铝已经却确定为非必要微量元素，但是说不定在一些孑遗生命中，铝可能就是必需的。（生物专业不知是否有此发现）

不过，就算在微量元素这一栏中出现，说实话也没什么奇怪的。有些元素听上去很陌生，比如说钼，却是大多数生命体的关键微量元素，钼骄傲了吗？再比如说镍，夹在铁和锌之间，能干的活儿照理说铁和锌也能分忧，但它就是不可或缺，而且量稍微大一点就会对人体有明显的危害，也不知道生命演化的时候是咋想的。所以，想想看，连人体这么复杂的机体，也不知道为啥想不开用了这些微量元素，那么自然界要是有生命用了铝，也很正常。

趁着脑子热，又开了个大脑洞，没有看爽的还可移步——