結構生物化學/生物化學自然選擇
根據定義，自然選擇是一種競爭，其中勝者和敗者由作用於特定邊界或競技場內受限的競爭者的選擇壓力決定。透過實驗和發現，人們已經評估出自然選擇可以被視為一種自然力量，它在生物化學進化中與物種形成一樣重要。Exley 更深入地研究了鋁和矽的生物學必要性。特別是鋁被認為至關重要，也是地球上含量最豐富的金屬。事實上，它是地殼中第三豐富的元素。然而，元素的廣泛丰度與其生物學重要性無關。相反，鋁受到其生物學不可用性的嚴重阻礙。選擇用於生物用途的必需金屬主要基於幾個因素，包括反應動力學和反應熱力學。例如，動力學約束涉及生物化學反應如何達到平衡，這決定了反應動力學，最終決定了哪些生物化學途徑最有效或最有利，因此占主導地位。平衡常數透過溶解度平衡和絡合物穩定性來決定反應產物的性質。然而，生物系統專注於動力學而不是熱力學的重要性。具體來說，動力學依賴於反應物、產物、競爭者和干擾物的濃度，所有這些都幫助生物系統在其試圖避免化學平衡的努力中。因此，動力學影響了哪些金屬對生物系統至關重要的自然選擇。
這讓我們對鋁金屬有了更深入的瞭解。儘管含量豐富，但它在任何生物體內的任何生物系統中都沒有必不可少的作用。另一方面，矽是第二豐富的元素，但確實被認為是必需元素。後來發現，鋁缺乏不可或缺的生物學作用，這可能是由於它不參與，以及它可能完全被系統選擇排除的可能性。鋁的缺失實際上非常不幸，因為它作為一種生物活性元素具有多功能性。經過進一步的研究，人們認為，缺乏鋁並不是因為它被生物化學系統選擇排除，而是因為缺乏可用於選擇的生物活性鋁。鋁的不可用性可以透過生物迴圈中缺乏鋁來解釋。在透過非生物過程（如降雨驅動的山體溶解）迴圈的鋁中，只有不到 0.001% 的鋁實際上透過生物過程迴圈。更令人費解的是，沒有已知的生物機制專門阻止鋁進入生物群，也沒有生物在與生物活性鋁的進化相遇中留下的“生物足跡”。
鋁能夠與含氧官能團結合，參與關鍵的氧化還原反應，並且作為一種優良的免疫原，作為抗原，使特定疫苗得到廣泛應用。然而，鋁沒有被選中 - 這是由於配體交換速率緩慢。雖然它能夠與含氧官能團結合，但它結合的速度不夠快，無法有效地作為酶的金屬輔因子。此外，生物活性矽的形式矽酸的普遍存在與生物活性鋁 Al3+ 反應，從而減少了 Al3+ 的量。Exley 斷言，由於這個原因，其他含量較少的金屬能夠競爭鋁。
Exley 繼續研究鮭魚，揭示了關於矽酸出現的一個有趣事實，即矽酸試圖保護生物體免受鋁的毒性。用更熟悉的話來說，可以說矽酸對鋁的可用性進行了地球化學控制。矽酸是唯一可用的生物形式的矽，因為矽的鍵極其難以斷裂，在參與反應時會被選擇排除。然而，矽是必需的，但沒有生物化學重要性。矽酸是一種弱酸，與氫氧化鋁相互作用產生 HAS。這樣做成功地顯著降低了鋁的生物利用度，並進一步促進了對金屬的選擇減少。然而，那些被選中的金屬被認為是必需的。鎂、鐵、鈣、鋅和銅等金屬在某種程度上，在鋁頭上蒙上了一層烏雲。近年來，鋁環境一直在透過人類活動和一種必須考慮生物活性鋁的生物化學進化而發展。
雖然鋁由於其生物活性形式 Al3+ 的不可用性而被選擇排除，但矽的生物活性形式 Si(OH)4 一直都可以進行選擇。矽在生物系統中被發現，例如以矽酸的形式存在，它可以穿過可滲透的生物膜，模擬水並防止鋁的毒性。然而，如今，生物系統中幾乎沒有證據證明矽對生物系統的必要性。
雖然沒有矽生物化學，但矽仍然作為一種對生命至關重要的元素，施加進化壓力。然而，生物活性矽的唯一形式以矽酸的形式存在。矽酸是一種多質子弱酸，在較高的 pH 值 10 時失去其第一個質子。大多數生物化學反應發生在接近中性的 pH 值附近，因此限制了矽的生物有機和生物無機化學，矽只以一種小的中性分子形式存在。
環境壓力可以塑造蛋白質的序列、結構和其他性質。佔據極端環境的蛋白質，例如存在於高溫環境中的蛋白質，需要更穩定。這種穩定性主要由蛋白質的熱力學穩定性決定，熱力學穩定性由天然狀態和展開狀態或錯誤摺疊狀態之間的能量差決定。
影響天然狀態和展開狀態的序列和結構變化在嗜熱蛋白質中都被觀察到。這些蛋白質中觀察到更高的緊湊性、緊密堆積的二級結構等特徵。這些特徵被自然選擇以具有更高的熱環境壓力耐受性。
病毒是適應極端環境的另一個例子，例如在宿主細胞外存在。然而，一旦進入宿主，它們必須避開宿主的防禦措施並生存下來。病毒基因組通常是緊密包裝的，而不是鬆散包裝的。病毒也容易發生高突變率，RNA 病毒中的重疊閱讀框就是一個例子，它使單個突變能夠影響多個蛋白質。自然選擇必須選擇蛋白質的包裝方式，從而選擇其序列，進而選擇病毒的突變耐受性。病毒雖然具有緊湊的蛋白質結構，但不像嗜熱蛋白質那樣緊湊。雖然嗜熱蛋白質由於其緊密包裝的蛋白質而具有抗突變性，但蛋白質包裝較鬆散的病毒可以更頻繁地發生突變，這在病毒突變的高發生率中可以觀察到。
Tokuriki N, Oldfield CJ, Uversky VN, Berezovsky IN, Tawfik DS. Weizmann 科學研究院生物化學系，以色列雷霍沃特 76100。
達爾文、自然選擇和鋁和矽的生物必要性。Exley C. 比徹爾中心，倫納德-瓊斯實驗室，基爾大學，斯塔福德郡，ST5 5BG，英國。