地球生物为什么没有演化出依赖于铝元素的代谢途径？
首先，让我们理解一下“依赖于……代谢途径”是什么意思。当生物的生存和正常生理功能需要某种元素，并且其体内的关键生化反应必须借助该元素才能高效进行时，我们就可以说它“依赖于”该元素。例如，生命离不开碳，碳是构成一切有机物的骨架；生命离不开氧，氧参与呼吸作用提供能量；生命离不开铁，铁是血红蛋白和多种酶的重要组成部分。这些元素在生命体系中扮演着不可或缺的角色，甚至在一些生物体内的含量非常高，例如钙在骨骼和牙齿中。
那么，为什么铝元素未能抓住这个机会，成为生命体必需的关键元素呢？主要原因可以从以下几个方面来分析：
1. 铝元素的化学特性：高反应活性与不成比例的电荷密度
铝（Al）是地壳中含量非常丰富的元素，仅次于氧和硅，位居第三。它是一种非常活泼的金属元素，在自然界中通常以氧化物和硅酸盐的形式存在，例如铝土矿（主要成分是三氧化二铝）。当铝以离子形式存在时（主要是Al³⁺），它表现出一些不适合生物体扮演核心角色的特性：
高电荷密度： Al³⁺ 离子拥有 +3 的电荷，且半径相对较小。这意味着它的电荷密度（电荷量除以体积）非常高。高电荷密度使得 Al³⁺ 离子具有极强的吸引力，能够与水分子、氧原子、氮原子等形成非常稳定的配位键，特别是与带负电荷的基团（如磷酸根、羧基、羟基）形成牢固的络合物。
强烈的亲水性： Al³⁺ 离子非常容易水合，即周围会聚集大量的水分子。在水中，它会与水分子形成[Al(H₂O)₆]³⁺ 这样的水合离子。这种强烈的亲水性意味着铝离子倾向于与水形成稳定的结合，而不太容易与更疏水的有机分子或蛋白质的疏水区域相互作用，后者在细胞内许多生化过程中至关重要。
易于形成沉淀： 由于其高电荷和与氧的强亲和力，铝离子在溶液中，特别是当pH值升高时，非常容易与氢氧根离子（OH⁻）结合形成氢氧化铝沉淀（Al(OH)₃）。这种沉淀的形成会降低溶液中游离铝离子的浓度，也意味着生物体如果想要利用铝，就必须在非常特殊的、低pH值的环境中才能维持其溶解度，这在普遍是中性或弱碱性环境的细胞质中是难以实现的。
2. 生物体内关键元素的“竞争优势”
生命选择并依赖某些元素并非随机，而是基于这些元素在构建稳定但又具备灵活反应性的分子骨架和催化中心方面的优势。让我们对比一下铝与其他常见生物必需元素的差异：
碳（C）： 碳能够形成稳定且多样的共价键，能够构建出长链、环状以及高度支化的有机分子，这是生命多样性和复杂性的基础。碳碳键具有适中的强度，既不会太容易断裂，也不会太难断裂，使得生命过程中的化学反应得以在温和条件下进行。
氢（H）和氧（O）： 它们是构成水（生命溶剂）和有机物的主要元素，参与能量代谢中的氧化还原反应。
氮（N）： 是构成氨基酸（蛋白质）和核酸（DNA/RNA）的关键元素，参与能量存储和信息传递。
磷（P）： 是核酸的骨架、ATP（能量货币）的重要组成部分，也参与信号转导和骨骼形成。
硫（S）： 是某些氨基酸（如半胱氨酸、蛋氨酸）的组成部分，参与蛋白质的结构（如二硫键）和氧化还原反应。
金属离子（如钠Na⁺, 钾K⁺, 钙Ca²⁺, 镁Mg²⁺, 铁Fe²⁺/³⁺, 铜Cu⁺/²⁺, 锌Zn²⁺, 钴Co²⁺等）： 这些离子在生命体中扮演着至关重要的角色。它们通常是单价或二价的，半径适中，电荷密度相对较低，这使得它们能够与蛋白质的特定位点（如酶的活性中心）形成可逆的、功能性的配位键。这种可逆性对于酶的催化循环、离子通道的开放与关闭、信号传递等至关重要。例如，钙离子在细胞信号传递中起着关键作用，其浓度的微小变化就能引发一系列生物学反应。铁离子则是血红蛋白携氧和许多氧化还原酶的核心。
相比之下，Al³⁺ 的高电荷密度和强烈的亲和力使得它与生物大分子形成的是非常强烈的、近乎不可逆的结合。一旦Al³⁺与蛋白质或核酸结合，可能会导致这些分子构象的剧烈改变，甚至失活，而不是提供一个灵活的催化或结构支持。想象一下，如果一个酶的活性中心被牢牢地锁死在一个特定的构象，它将无法完成其催化任务。
3. 生殖毒性（Toxicity）的潜在因素
正是由于铝离子与生物大分子形成强而稳定的结合的能力，铝在一定浓度下会对生物体产生毒性作用。它能够：
干扰酶的活性： 竞争必需的金属离子（如Mg²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺），或与酶的活性中心结合，阻碍其功能。
影响核酸的功能： 与DNA和RNA的磷酸骨架结合，可能干扰基因复制和转录。
破坏细胞膜的稳定性： 改变膜的电荷分布和脂质体的结构。
引起神经毒性： 在特定条件下，铝可以通过血脑屏障，干扰神经递质的释放和信号传递，导致认知功能障碍。
尽管许多生物体内的某些组织（如植物的根部）可能需要忍受一定量的铝，但这种耐受性通常是机制性的（例如，将铝离子隔离在液泡中，或利用有机酸对其进行螯合和无害化），而不是主动地将铝整合到其核心代谢途径中作为必需品。
4. 演化上的“机会窗”与“路径依赖”
生命在地球上出现和演化是一个漫长而复杂的过程。早期生命可能就已经选择了地壳中含量丰富且化学性质适宜的元素来构建其基本生化体系。一旦生命形成了一套以碳、氢、氧、氮、磷、硫以及特定金属离子为基础的稳定代谢网络，要重新设计和替换这些核心元素将面临巨大的演化阻力。
“机会窗”的关闭： 可能在生命早期，铝元素的化学性质并没有提供一个像碳那样优越的构建生命分子骨架的潜力，或者其潜在的毒性使得生命回避了依赖它。
“路径依赖”： 一旦生命演化出了依赖于某些元素（如铁用于氧气运输和氧化还原）的系统，这个路径就被“固定”了。后来的生物体即便发现了铝的某些潜在用途，也很难克服已经建立起来的、对现有元素体系的深度依赖。这就像一个国家，一旦选择了某种技术标准，再想全面更换的成本将是巨大的。
总结：
地球生物没有演化出依赖于铝元素的代谢途径，并非因为铝元素在地壳中不丰富，而是因为其化学性质与生命体对元素的需求存在着“错配”。铝离子的高电荷密度、强亲水性、易沉淀性以及与生物大分子形成稳定、近乎不可逆结合的能力，使得它在构建灵活、动态且在温和条件下工作的生命分子机器方面，不如其他元素具有优势。相反，这些特性更容易导致铝对生物体产生毒性。生命选择并演化出一套以其他元素为核心的生化体系，一旦这个体系建立起来，演化路径上的“惯性”就使得生物体很难再引入像铝这样具有潜在破坏性且难以整合的元素作为其必需的代谢组分。生命的演化是一个在现有资源和约束条件下寻找最优解决方案的过程，而铝元素，在这场漫长的“元素选择”大戏中，显然没有获得扮演核心角色的机会。
网友意见
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——
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