既然碘在自然界中并不富裕，那么为什么甲状腺激素一定要用碘来合成？
要理解这一点，我们得从头说起，一步步地解开这个谜团。
1. 生命的基本需求：精确的信号传递
首先，我们需要明白甲状腺激素究竟是做什么的。甲状腺激素（主要是甲状腺素 T4 和三碘甲状腺原氨酸 T3）就像是身体的“总司令”或“发动机调速器”。它们通过调节新陈代谢的速率，影响着我们身体几乎所有的细胞和器官的功能。从婴儿期的生长发育，到成年后的体温调节、心率、能量消耗，再到神经系统的正常运作，都离不开甲状腺激素的精确指挥。
这意味着，身体需要一个非常稳定和有效的系统来产生、储存和释放这些信号分子。而这个系统，就像任何复杂的工程一样，需要特定的“原材料”和“组装工具”。
2. 碘的独特性：化学的“巧合”与“必然”
那么，为什么偏偏是碘？这得从碘的化学性质说起。
高反应活性，但又相对稳定： 碘是一种卤族元素（和氟、氯、溴在同一族），它最外层电子层缺少一个电子，因此非常容易与其他原子形成化学键，特别是与碳原子。在甲状腺激素的结构中，碘原子就直接连接在酪氨酸这个氨基酸的苯环上。这种连接需要碘的“加入”，而碘本身能够以一种相对容易的方式参与反应，生成碘化酪氨酸。
电负性适中，电子分布的“影响力”： 碘的电负性（吸引电子的能力）介于氯和溴之间。当碘原子连接到酪氨酸的苯环上时，它会极大地改变这个分子的电子分布。这种改变是精妙的。它会使酪氨酸残基更容易与另一个碘代酪氨酸残基连接，形成 T4 (四碘甲状腺原氨酸) 和 T3 (三碘甲状腺原氨酸)。如果碘的电负性过强或过弱，可能就无法达到这种精确的电子效应，从而影响激素的活性或稳定性。
原子大小的“契合”： 碘原子相对于其他卤族元素更大一些。这种体积上的特点，在结合到酪氨酸的特定位置时，可能提供了最佳的空间“契合度”，使得由此形成的甲状腺激素分子能够精确地与身体内的受体结合，发挥其生物学功能。想象一下，一把钥匙要能打开锁，它的形状和大小必须与锁孔精确匹配。甲状腺激素的形状，在很大程度上是由连接其上的碘原子决定的。
“善于”形成共价键： 碘最擅长的是形成共价键，将自己牢固地“锚定”在酪氨酸分子上。这种共价键的形成，使得碘原子成为甲状腺激素结构中不可分割的一部分，从而赋予激素特定的空间构象和生物活性。
3. 甲状腺的“特种部队”：碘的捕获与利用
生命体在进化过程中，发展出了一套极其高效的机制来捕获和利用碘。甲状腺之所以成为我们身体中碘的“大本营”，是因为它进化出了一个叫做“碘泵”（sodiumiodide symporter, NIS）的特殊蛋白质。
主动运输： 即使在血液中碘的浓度非常低的时候，这个碘泵也能在细胞膜上工作，利用钠离子的梯度，将碘离子（I⁻）从血液中“泵”入甲状腺细胞内。这就像一个只能进不能出的“陷阱”，确保了即使在食物链中碘含量不高的情况下，也能尽可能地将环境中稀缺的碘收集起来。
离子转化为活性形式： 进入甲状腺细胞后，碘离子会通过一种叫做“过氧化物酶”的酶，被氧化成更具反应性的形式（如 I₂ 或 HOI），然后迅速地附着到酪氨酸残基上，形成一碘酪氨酸（MIT）和二碘酪氨酸（DIT）。
激素的“组装”： 最后，两分子的二碘酪氨酸（DIT）在过氧化物酶的作用下，通过一个叫做“偶联反应”的过程，连接在一起，就形成了甲状腺激素 T4 (两个 DIT 分子) 或 T3 (一个 DIT 和一个 MIT 分子)。
4. 进化选择的长河：为什么不是其他元素？
你可能还会问，为什么不能用氯、溴这些也是卤族元素的其他原子呢？
稳定性与活性权的衡： 氟虽然非常活泼，但它一旦形成化学键，会非常牢固，可能导致激素难以在需要时被激活或失活，失去调节的灵活性。氯和溴虽然也能形成共价键，但它们形成的化合物在生物体内的稳定性和影响电子分布的程度，可能不如碘那样“恰到好处”。
碘的“独特性”： 也许是碘原子在化学性质上，特别是它的体积、电负性以及形成特定化学键的能力，恰好在模拟自然界的条件下，最适合被生物体利用来构建出具有关键生理功能的激素分子。生命体在漫长的进化过程中，是通过“试错”和“筛选”来找到最有效率和最适宜的解决方案的。既然碘能够满足这个精密的化学需求，并且生命体也发展出了高效的利用机制，那么这个“设计”就被保留了下来。
碘在早期地球环境中的可得性： 虽然说碘在自然界“不富裕”，但与某些更复杂的元素相比，它在地壳和海洋中的分布还是有一定基础的。在生命起源的早期，当生命还在海洋中摸索时，能够被利用的元素种类是有限的。碘的某些化学特性，可能使其在早期环境中比其他元素更容易被早期生命形式捕获和利用。
总结一下：
甲状腺激素之所以必须用碘来合成，是因为碘原子在物理化学性质上，特别是它的大小、电负性以及形成特定共价键的能力，恰好能够：
1. 精确地改变酪氨酸分子的电子分布，使其能够与另一个碘代酪氨酸分子有效偶联，形成具有生物活性的 T3 和 T4 分子。
2. 赋予甲状腺激素分子特定的空间构象，使其能够与体内的受体高效结合，从而准确地传递信号。
3. 具有相对适中的反应性和稳定性，既能被有效合成，又能稳定存在于血液中，并在需要时被激活或失活，实现精细的代谢调控。
而生命体，特别是甲状腺，也进化出了极其高效的“碘泵”机制，能够主动捕获血液中稀少的碘离子，并将其转化为合成激素的原料。
这是一个生命在亿万年演化过程中，通过对有限的化学元素的巧妙选择和机制创新，最终找到的“最优解”。碘，就像是这场生命化学游戏中的一个关键“骰子”，它的出现，成为了我们身体精密调控系统的基石。即使它在自然界中不常见，但生命体以其强大的适应性和创造力，将这个“稀有”的元素，变成了我们生存不可或缺的一部分。
网友意见
关于进化为什么会选择某种微量元素参与生理活动，大致有这么几个思路：
- 虽然该元素在生态圈中并不富裕，但全体生物的总需求量也不高，通俗讲就是“说少不少，说多不多”
- 该元素在化学性质上有独到之处，而生物在进化的某个节点上正好利用了这个特点，于是在接下来的时间里就与该元素深度绑定，回不了头了
那么碘是什么情况？
一个值得注意的现象：人类饮食中大多数富含碘的食材都是海产品，事实上，其他很多微量元素，如锌、硒等也是如此
这不是偶然：陆地上的元素常常会在漫长的水文作用中被浸出、溶解，最后带入海洋。而碳氢氧氮磷硫氯在地表和空气中不但储量高，还有自己的一套循环机制，能借助大气环流回到陆地生态系；硅钙铁等则单纯通过自己在地壳中的丰度和低溶解度硬接上亿年的流水侵蚀
那微量元素呢？它们一般含量不高，也没有专门的气态化合物参与大气循环，于是乎就被一股脑涮进大锅汤里了。地表的碘元素丰度远不及海洋就大抵是这么个原因
这下事情有说法了：生命起源于海洋，所以碘元素参与代谢也应该是我们的祖先还在海洋里时开始的，而研究也显示海洋生物对碘的利用途径也比陆地生物更加多样化。进化学上，某个物种/基因/代谢路径的发源地往往具有更多样化的同类
那么碘通常是拿来干什么的？在一些藻类中，碘的干重占比可以达到夸张的1～3%，胞内浓度是海水的30000倍，这恐怖的需求量很容易让人联想到产氧光合，因为氧气实在是种相当棘手的强氧化剂，而研究结果也证实了两者间的关联。现有理论认为，作为一种电子数较大的卤素，碘最初是在细胞中担任抗氧化剂的角色。这一应用在演化上已经有相当悠久的历史，最早可以追溯至30亿年前的大氧化事件；相比之下，花青素、过氧化氢酶等有机抗氧化剂的出现则要等到最近1～5亿年了
这种抗氧化剂甚至还有更暴力的用法：研究人员发现生活在海面的各种浮游生物会专门代谢产生挥发性的卤代烷，如果你对这个词有些陌生，那就想想氟氯烃，想想电冰箱。是的，光合生物再一次领先我们几亿年整出了凿空臭氧层来抗氧化这种绝活，幸运的是它们没成功。在所有卤代烃产物中，碘代烷占了大头，所以碘对海洋生物来说就跟盐巴一样可以随便挥霍
事实上，海水中的碘对于生物来说太多了，以至于各个门类都发展出了抑制或延缓碘吸收的负反馈调节机制，人体的碘阻滞效应（Wolff-Chaikoff effect，过量的碘抑制甲状腺激素合成的效应）可能就是那个时期遗留下的产物
不过说了那么多，这碘又是当盾扛又是当枪使，但那是藻类的事，朱门酒肉臭路有冻死骨，我们体内的碘是怎么变得那么精贵的呢？
应该说情理之中吗，甲状腺素的出现时间其实也相当早，而且海里的用法也没地上跑的那么谨小慎微——研究发现海绵和珊瑚虫会用甲状腺素作为建造外骨骼或骨针所需的硬蛋白(scleroproteins)原料，好家伙，石崇斗富是吧？
同时，我们还发现甲状腺素不是动物的专利，一些藻类也会生成甲状腺素和甲状腺激素，这时它们已经展现出作为信号分子的功能了——还记得中学课本上激素的特性吗？少量、高效、体液运输，这对我们这些大型动物尚且如此，那对于小型动物呢？细胞代谢率无节制飙高的结果是什么？
是的，包括甲状腺激素在内的很多动植物激素，其最初可能是以一类生化毒剂的形式介入动物体内的信号传导，这在今天也能看到类似的例子。控制合成甲状腺激素的基因可能经由基因水平转移等方式插入到其生效对象的基因组中，而当动物们的体型使其能够在一定程度上免疫甲状腺激素带来的负面影响时，它就有内化为一类起调节作用的信号分子的潜质了
有理论认为，碘乃至甲状腺素调控发育的角色始于鱼类的洄游行为。海水中的碘含量(60μg/L)在河口处断崖式下降(约5μg/L)，上溯至内陆淡水则更低(低于0.2μg/L)。而那些洄游至河流上游产卵的鱼类，其幼鱼刚孵化时身体各部位尚未发育，直到入海口处水体中的碘含量升高，才激活身体组织令其开始向成体转化。一些洄游鱼类为了使幼体在淡水中就开始发育，在消化道壁上进化出富集碘的泡，当自己产完卵壮烈成仁后，被分解的尸体强行提高了环境中的碘含量，而这些泡可能就是甲状腺的雏形。总而言之，很不幸地，当脊椎动物开始向陆地进军时，这套以碘-甲状腺素含量为基础的调控方案已经定型，改不了了
真的改不了了吗？
之前说过，各种海生的植物与藻类会积累碘化物作为抗氧化剂，但当维管植物正式登上历史舞台时，它们也生产出了各种各样的有机替代品以适应陆地碘匮乏的条件，其中一部分就是我们熟知的维生素A、E、C，另外就是写在护肤品成分表里抬身价的花青素、白藜芦醇之类的。所以在低碘环境中，一个甲状腺素的替代方案对动物而言也挺不错的不是吗？
嗯……
是不错，前提是这种替代物真的出现了
“要是我彩票中100W就能买下那个RTX3090了，为什么我没有3090？它性能那么好”
“因为你彩票没中”
QAQ
或者说，如今甲状腺素少量高效的特征，也许正是动物省吃俭用来适应缺碘环境的结果。毕竟是涉及到核心的发育和产热过程的信号分子，不动则已一动可能要出大事
真的改不了了吗？
改不了了
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