Biologische Nutzung von Molybdän und Wolfram reicht 3,4 Milliarden Jahre zurück

Eine Metallgeschichte, versteckt in uralten Meeren

Lange bevor Pflanzen das Land begrünten oder Tiere die Ozeane bevölkerten, betrieben winzige Mikroben bereits komplexe Chemie, angetrieben von seltenen Metallen. Diese Arbeit untersucht, wie zwei solcher Metalle, Molybdän und Wolfram, das früheste Leben der Erde vor mehr als drei Milliarden Jahren mitprägten. Indem die Autoren die Geschichte der Gene nachzeichnen, die mit diesen Metallen umgehen, zeigen sie, dass das Leben sie deutlich früher und vielfältiger nutzte, als Geologen einst für möglich hielten.

Warum seltene Metalle für das Leben wichtig sind

Molybdän und Wolfram wirken in Zellen als katalytische Arbeitspferde und sitzen im Zentrum von Enzymen, die zentrale Reaktionen in den Kreisläufen von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel antreiben. Moderne Organismen sind besonders auf Molybdän angewiesen, doch chemische Untersuchungen alter Gesteine deuten darauf hin, dass die frühen Ozeane fast gar kein Molybdän enthielten. Das wirft ein Rätsel auf: Wenn das Meer so arm an Molybdän war, wie konnte sich dann eine so breite Abhängigkeit vom Molybdän entwickeln? Die Autoren nähern sich diesem Widerspruch nicht über die Gesteine, sondern über die biologische Maschinerie selbst — Gene für Metallaufnahme, Speicherung und den Aufbau spezieller metallhaltiger „Cofaktoren“, die in Enzyme eingebaut werden.

Aus modernen Genomen in die tiefe Zeit lesen

Das Team stellte einen Datensatz von mehr als 1.600 Genomen zusammen, der Bakterien, Archaeen und Eukaryoten umfasst. Sie durchsuchten diese Genome nach 102 Proteingruppen, die an der Aufnahme von Molybdän und Wolfram, am Aufbau ihrer Cofaktoren und an deren Einsatz in verschiedenen Enzymfamilien beteiligt sind. Diese Proteine kommen in Organismen vor, die eine beeindruckende Bandbreite an Umgebungen besiedeln — von heißen, sauerstofffreien Schloten bis zu kühlen, sauerstoffreichen Gewässern und Böden. Besonders verbreitet sind die Proteine, die den grundlegenden Molybdän-Cofaktor herstellen, der sich als in allen Lebenszweigen geteilt erweist und auf einen sehr alten Ursprung hindeutet. Demgegenüber sind manche Speichersysteme und spezialisierte Enzyme seltener und ungleichmäßiger verteilt.

Die Entstehung metalldominierter Chemie zeitlich einordnen

Um diese genomische Übersicht in eine Zeitleiste zu überführen, verglichen die Autoren die Evolutionsbäume einzelner Proteine mit einem alter-kalibrierten Stammbaum des Lebens, der auf Fossilfunden und molekularen Uhrenmodellen basiert. Diese Versöhnung erlaubte es, zu schätzen, wann zentrale „Genereignisse“ wie Entstehung, Duplikation und Ausbreitung stattgefunden haben dürften. Ihre Analyse legt nahe, dass Enzyme, die Molybdän und Wolfram verwenden, bereits im Eo- bis Mesoarchäikum vorhanden waren, grob 3,7 bis 3,1 Milliarden Jahre zuvor — deutlich früher, als viele Modelle der Ozeanchemie es zulassen würden. Die Maschinerie zum Bau des zentralen Molybdän-Cofaktors erscheint in der Aufzeichnung etwa zwischen 3,1 und 2,2 Milliarden Jahren und überlappt mit dem Auftreten vollständiger Transportsysteme, die beide Metalle in Zellen importieren.

Wechsel mit Sauerstoff, Wärme und Lebensraum

Muster in modernen Genomen zeigen auch, wie Umwelt und Metallnutzung miteinander verwoben sind. Arten, die Sauerstoff tolerieren oder benötigen, tragen tendenziell mehr Molybdän-bezogene Gene, während strikt anaerobe Mikroben häufiger auf Wolfram setzen, besonders in heißen Umgebungen. Das passt zu Laborbefunden, die zeigen, dass wolframhaltige Enzyme bei hohen Temperaturen und reduzierenden Bedingungen besser funktionieren, während molybdänhaltige Enzyme ein breiteres Spektrum an Reaktionsarten bewältigen können. Die Studie ergibt, dass einige Molybdän-Enzymfamilien — insbesondere jene, die stark oxidierte Stickstoff- und Schwefelverbindungen verarbeiten — nach der Zunahme von Sauerstoff in der Erdatmosphäre häufiger wurden, was darauf hindeutet, dass sich durch veränderte Oberflächenchemie neue metabolische Nischen öffneten.

Neues Nachdenken über frühe Ozeane und frühes Leben

Zusammen genommen stellen die Ergebnisse die Auffassung einer frühen Erde in Frage, auf der knapperes Molybdän seine breite biologische Nutzung verhinderte. Stattdessen scheint das Leben frühzeitig in ausgefeilte Maschinerie für sowohl Molybdän als auch Wolfram investiert zu haben und wahrscheinlich lokale metallreiche Umgebungen wie hydrothermale Quellen ausgenutzt zu haben. Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt und Verwitterung stieg später die Molybdänzufuhr in die Ozeane, und die molybdänbasierte Biochemie diversifizierte sich weiter, sodass Organismen neue Energiequellen erschließen konnten. Für Nichtfachleute lautet die zentrale Botschaft: Der Metall-Werkzeugkasten, den heutige Mikroben — und letztlich Pflanzen und Tiere — nutzen, wurde größtenteils bereits vor Milliarden von Jahren unter anoxischen Himmeln von winzigen Zellen zusammengestellt, die gelernt hatten, das Beste aus Spurenmengen dieser kraftvollen Elemente zu machen.

Zitation: Klos, A.S., Sobol, M.S., Boden, J.S. et al. Biological use of molybdenum and tungsten stems back to 3.4 billion years ago. Nat Commun 17, 3943 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72133-0

Schlüsselwörter: Molybdän, Wolfram, frühe Erde, mikrobielle Evolution, Metallenzyme