Bildiğimiz şekliyle yaşam; solunum, DNA transkripsiyonu ve enerji dönüşümü gibi temel biyolojik işlevleri yerine getirmek için küçük miktarlarda metale ihtiyaç duyar. Dünya'nın ilkel okyanuslarında yüzen ilk yaşam formlarından bu yana, metaller bu süreçlerde çok önemli bir rol oynamıştır. Hücrelerdeki kimyasal reaksiyonları yönlendiren proteinler olan enzimlerin neredeyse yarısı işlevlerini yerine getirmek için metallere ihtiyaç duyar.
Bunların çoğu, periyodik tablodaki konumlarına göre adlandırılan geçiş metalleridir. Ancak son araştırmalar, tüm geçiş metalleri arasında demirin yaşamın kökeni için gerekli olan ilk ve tek metal olduğunu göstermektedir.
Michigan Üniversitesi, Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü ve Los Angeles Kaliforniya Üniversitesi'nden bilim insanlarından oluşan bir ekip, Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde, demirin yaşamın başlangıcındaki tek geçiş metali olduğunu öne süren bir çalışma yayınladı. Michigan Üniversitesi Yer ve Çevre Bilimleri Bölümü'nde yardımcı doçent olan Jena Johnson, "Radikal bir fikir öneriyoruz: demir, yaşamın orijinal ve tek geçiş metaliydi" dedi. Johnson, erken yaşamın yalnızca etkileşime girebileceği metallere bağlı olduğunu ve demir açısından zengin antik okyanusların diğer geçiş metallerini esasen "görünmez" kıldığını savundu.
Johnson bu hipotezi araştırmak için UCLA'dan biyoinorganik kimyager Joan Valentine ve Caltech'ten araştırmacı Ted Present ile işbirliği yaptı. Valentine özellikle erken yaşamın mikroskobik formlardan bugün var olan karmaşık organizmalara nasıl evrimleştiğiyle ilgileniyordu. Yaşamın ilk aşamalarında hayati süreçleri gerçekleştirmek için hangi metallerin enzimlere dahil edildiğine odaklandı.
Valentine, araştırmacılardan Dünya'nın ilkel okyanuslarının demirle dolu olduğunu defalarca duydu. Valentine şöyle açıklıyor: "Benim alanımda demir, çok küçük miktarlarda bulunan bir eser element olarak kabul edilir. Demirin sadece bir eser element değil, aynı zamanda bol miktarda bulunduğunu öğrendiğimde, bu bir keşif oldu.
Demir oluşumları ve ilkel okyanusların biyojeokimyası üzerine çalışan Johnson ve Present, Dünya'nın ilkel okyanuslarının demir, özellikle de Fe(II) olarak bilinen bir iyon açısından zengin olduğunu gösteren jeolojik kanıtlara zaten aşinaydı. Fe(II) suda kolayca çözünür ve yaklaşık 4 milyar ila 2,5 milyar yıl önceki jeolojik bir dönem olan Archean Eon sırasında Dünya okyanuslarında baskın metal olabilirdi.
Archean Eon'un sonu, yaşamın oksijen üreten fotosentez yapmak için evrimleştiği Büyük Oksidasyon Olayı'na işaret etti. Bu, Dünya okyanuslarının demir açısından zengin ve anoksik durumdan bugün gördüğümüz oksijenli su kütlelerine dönüşmesine yol açmıştır. Bu dönüşüm sırasında Fe(II), Fe(III)'e oksitlenerek onu çözünmez ve biyolojik olarak daha az kullanılabilir hale getirmiştir.
Demirin erken yaşam üzerindeki potansiyel etkisini anlamak için Present, Dünya'nın erken okyanuslarında bulunabilecek demir, manganez, kobalt, nikel, bakır ve çinko gibi çeşitli metallerin konsantrasyonlarını tahmin eden bir model tasarladı. Diğer eser metaller nispeten değişmeden kalırken, çözünmüş demir konsantrasyonlarının Büyük Oksidasyon Olayı'ndan sonra dramatik bir şekilde düştüğünü ve yaşamın sudaki elementlerle nasıl etkileşime girdiğini etkilediğini keşfettiler.
Ekip daha sonra demir açısından zengin çözeltilerde basit biyomoleküllerin hangi metallere bağlanacağını araştırdı. Johnson, demirin neredeyse her şeyi yapmak zorunda olduğunu fark ettik. Biyomoleküller magnezyum ve demiri yakalayabiliyordu, ancak çinko daha az rekabetçiydi ve kobalt ve manganez gibi metaller neredeyse "görünmezdi". Demir konsantrasyonundaki bu büyük fark, biyomoleküllerin çevrelerinden neleri "görebileceğini" ve kullanabileceğini etkiledi.
Valentine ve Johnson ayrıca demirin şu anda diğer metallere bağımlı olan metaloenzimlerde işlev görüp göremeyeceğini araştırdı. Demir veya magnezyumun, günümüzde yaşam için gerekli olduğu düşünülen çinko gibi metallerin yerine geçebileceği çok sayıda örnek buldular. Valentine, günümüzde çinko gerekli olsa da, Fe(II)'yi Fe(III)'e oksitleyecek oksijen olmadığında, demirin bu enzimlerde genellikle çinkodan daha iyi olduğunu belirtti.
Büyük Oksidasyon Olayı sonrasında demir daha az bulunur hale geldikçe, yaşam diğer metalleri enzimlerine dahil etmek için uyum sağlamak zorunda kalmıştır. Present'a göre, diğer metallerden çok daha fazla demirle karşı karşıya kalan yaşam, bunları yönetmek için nasıl sofistike bir yol geliştireceğini bilmiyordu. Demirdeki düşüş yaşamı uyum sağlamaya, diğer metalleri yönetmeye zorladı ve nihayetinde bugün gördüğümüz yaşam formlarının çeşitliliğine yol açtı.