结构生物化学/生物化学自然选择
根据定义，自然选择是一种竞争，其中胜者和败者由作用于特定边界或竞技场内受限的竞争者的选择压力决定。通过实验和发现，人们已经评估出自然选择可以被视为一种自然力量，它在生物化学进化中与物种形成一样重要。Exley 更深入地研究了铝和硅的生物学必要性。特别是铝被认为至关重要，也是地球上含量最丰富的金属。事实上，它是地壳中第三丰富的元素。然而，元素的广泛丰度与其生物学重要性无关。相反，铝受到其生物学不可用性的严重阻碍。选择用于生物用途的必需金属主要基于几个因素，包括反应动力学和反应热力学。例如，动力学约束涉及生物化学反应如何达到平衡，这决定了反应动力学，最终决定了哪些生物化学途径最有效或最有利，因此占主导地位。平衡常数通过溶解度平衡和络合物稳定性来决定反应产物的性质。然而，生物系统专注于动力学而不是热力学的重要性。具体来说，动力学依赖于反应物、产物、竞争者和干扰物的浓度，所有这些都帮助生物系统在其试图避免化学平衡的努力中。因此，动力学影响了哪些金属对生物系统至关重要的自然选择。
这让我们对铝金属有了更深入的了解。尽管含量丰富，但它在任何生物体内的任何生物系统中都没有必不可少的作用。另一方面，硅是第二丰富的元素，但确实被认为是必需元素。后来发现，铝缺乏不可或缺的生物学作用，这可能是由于它不参与，以及它可能完全被系统选择排除的可能性。铝的缺失实际上非常不幸，因为它作为一种生物活性元素具有多功能性。经过进一步的研究，人们认为，缺乏铝并不是因为它被生物化学系统选择排除，而是因为缺乏可用于选择的生物活性铝。铝的不可用性可以通过生物循环中缺乏铝来解释。在通过非生物过程（如降雨驱动的山体溶解）循环的铝中，只有不到 0.001% 的铝实际上通过生物过程循环。更令人费解的是，没有已知的生物机制专门阻止铝进入生物群，也没有生物在与生物活性铝的进化相遇中留下的“生物足迹”。
铝能够与含氧官能团结合，参与关键的氧化还原反应，并且作为一种优良的免疫原，作为抗原，使特定疫苗得到广泛应用。然而，铝没有被选中 - 这是由于配体交换速率缓慢。虽然它能够与含氧官能团结合，但它结合的速度不够快，无法有效地作为酶的金属辅因子。此外，生物活性硅的形式硅酸的普遍存在与生物活性铝 Al3+ 反应，从而减少了 Al3+ 的量。Exley 断言，由于这个原因，其他含量较少的金属能够竞争铝。
Exley 继续研究鲑鱼，揭示了关于硅酸出现的一个有趣事实，即硅酸试图保护生物体免受铝的毒性。用更熟悉的话来说，可以说硅酸对铝的可用性进行了地球化学控制。硅酸是唯一可用的生物形式的硅，因为硅的键极其难以断裂，在参与反应时会被选择排除。然而，硅是必需的，但没有生物化学重要性。硅酸是一种弱酸，与氢氧化铝相互作用产生 HAS。这样做成功地显着降低了铝的生物利用度，并进一步促进了对金属的选择减少。然而，那些被选中的金属被认为是必需的。镁、铁、钙、锌和铜等金属在某种程度上，在铝头上蒙上了一层乌云。近年来，铝环境一直在通过人类活动和一种必须考虑生物活性铝的生物化学进化而发展。
虽然铝由于其生物活性形式 Al3+ 的不可用性而被选择排除，但硅的生物活性形式 Si(OH)4 一直都可以进行选择。硅在生物系统中被发现，例如以硅酸的形式存在，它可以穿过可渗透的生物膜，模拟水并防止铝的毒性。然而，如今，生物系统中几乎没有证据证明硅对生物系统的必要性。
虽然没有硅生物化学，但硅仍然作为一种对生命至关重要的元素，施加进化压力。然而，生物活性硅的唯一形式以硅酸的形式存在。硅酸是一种多质子弱酸，在较高的 pH 值 10 时失去其第一个质子。大多数生物化学反应发生在接近中性的 pH 值附近，因此限制了硅的生物有机和生物无机化学，硅只以一种小的中性分子形式存在。
环境压力可以塑造蛋白质的序列、结构和其他性质。占据极端环境的蛋白质，例如存在于高温环境中的蛋白质，需要更稳定。这种稳定性主要由蛋白质的热力学稳定性决定，热力学稳定性由天然状态和展开状态或错误折叠状态之间的能量差决定。
影响天然状态和展开状态的序列和结构变化在嗜热蛋白质中都被观察到。这些蛋白质中观察到更高的紧凑性、紧密堆积的二级结构等特征。这些特征被自然选择以具有更高的热环境压力耐受性。
病毒是适应极端环境的另一个例子，例如在宿主细胞外存在。然而，一旦进入宿主，它们必须避开宿主的防御措施并生存下来。病毒基因组通常是紧密包装的，而不是松散包装的。病毒也容易发生高突变率，RNA 病毒中的重叠阅读框就是一个例子，它使单个突变能够影响多个蛋白质。自然选择必须选择蛋白质的包装方式，从而选择其序列，进而选择病毒的突变耐受性。病毒虽然具有紧凑的蛋白质结构，但不像嗜热蛋白质那样紧凑。虽然嗜热蛋白质由于其紧密包装的蛋白质而具有抗突变性，但蛋白质包装较松散的病毒可以更频繁地发生突变，这在病毒突变的高发生率中可以观察到。
Tokuriki N, Oldfield CJ, Uversky VN, Berezovsky IN, Tawfik DS. Weizmann 科学研究院生物化学系，以色列雷霍沃特 76100。
达尔文、自然选择和铝和硅的生物必要性。Exley C. 比彻尔中心，伦纳德-琼斯实验室，基尔大学，斯塔福德郡，ST5 5BG，英国。