L'utilisation biologique du molybdène et du tungstène remonte à il y a 3,4 milliards d'années

Une histoire de métaux cachée dans les mers anciennes

Bien avant que les plantes ne verdissent les terres ou que les animaux ne peuplent les océans, de minuscules microbes réalisaient déjà une chimie complexe alimentée par des métaux rares. Cet article examine comment deux de ces métaux, le molybdène et le tungstène, ont contribué à alimenter la vie primitive de la Terre il y a plus de trois milliards d'années. En retraçant l'histoire des gènes qui traitent ces métaux, les auteurs montrent que la vie a commencé à les utiliser bien plus tôt, et de façons plus variées, que ce que les géologues pensaient auparavant.

Pourquoi les métaux rares comptent pour la vie

Le molybdène et le tungstène agissent comme des chevaux de trait catalytiques à l'intérieur des cellules, occupant le cœur d'enzymes qui pilotent des réactions clés des cycles du carbone, de l'azote et du soufre. Les organismes modernes dépendent surtout du molybdène, pourtant les analyses chimiques des roches anciennes suggèrent que les océans primitifs en contenaient presque pas. Cela pose une énigme : si les mers étaient si pauvres en molybdène, comment la vie a-t-elle pu développer une dépendance aussi répandue à ce métal ? Les auteurs abordent ce décalage en regardant non pas les roches, mais la machinerie biologique elle-même — les gènes de transport des métaux, de stockage et de construction des « cofacteurs » métalliques spéciaux qui s'insèrent dans les enzymes.

Lire le temps profond à partir des génomes modernes

L'équipe a constitué un jeu de données de plus de 1 600 génomes couvrant bactéries, archées et eucaryotes. Ils ont recherché dans ces génomes 102 groupes de protéines impliquées dans l'assimilation du molybdène et du tungstène, la construction de leurs cofacteurs et leur utilisation dans différentes familles d'enzymes. Ces protéines se retrouvent chez des organismes vivant dans une gamme impressionnante d'environnements — des cheminées chaudes et anoxiques aux eaux et sols frais et oxygénés. Sont particulièrement répandues les protéines qui synthétisent le cofacteur de molybdène de base, qui s'avère partagé par tous les embranchements de la vie, suggérant une origine très ancienne. En revanche, certains systèmes de stockage et enzymes spécialisées sont plus rares et distribués de façon inégale.

Chronométrer l'essor de la chimie pilotée par les métaux

Pour convertir cette enquête génomique en une chronologie, les auteurs ont comparé l'arbre évolutif de chaque protéine avec un arbre du vivant calibré en âge à partir de preuves fossiles et de modèles d'horloge moléculaire. Cette réconciliation leur a permis d'estimer quand des « événements géniques » clés comme l'origine, la duplication et la dispersion sont probablement survenus. Leur analyse suggère que des enzymes utilisant le molybdène et le tungstène étaient déjà présentes durant l'Éo- à Mésoarchéen, approximativement entre 3,7 et 3,1 milliards d'années — bien plus tôt que ne le permettraient de nombreux modèles de chimie océanique. La machinerie de fabrication du cofacteur de base du molybdène apparaît dans l'enregistrement entre environ 3,1 et 2,2 milliards d'années, en chevauchement avec l'émergence de systèmes de transport complets qui importent les deux métaux dans les cellules.

Des changements liés à l'oxygène, à la chaleur et à l'habitat

Les motifs observés dans les génomes modernes révèlent aussi comment l'environnement et l'utilisation des métaux ont été liés. Les espèces qui tolèrent ou nécessitent de l'oxygène tendent à porter davantage de gènes liés au molybdène, tandis que les microbes strictement anoxiques s'appuient plus souvent sur le tungstène, en particulier dans des milieux chauds. Cela concorde avec des données de laboratoire montrant que les enzymes à tungstène fonctionnent mieux à haute température et en conditions réductrices, alors que les enzymes à molybdène peuvent gérer une plus large gamme de types de réactions. L'étude montre que certaines familles d'enzymes à molybdène — en particulier celles traitant des composés d'azote et de soufre fortement oxydés — sont devenues plus fréquentes après que l'atmosphère terrestre s'est enrichie en oxygène, suggérant que l'évolution de la chimie de surface a ouvert de nouvelles niches métaboliques.

Repenser les océans primordiaux et la vie ancienne

Pris ensemble, les résultats remettent en question la vision d'une Terre primitive où le molybdène rare empêchait son usage biologique généralisé. Au contraire, la vie semble avoir investi tôt dans une machinerie sophistiquée pour le molybdène et le tungstène, exploitant probablement des environnements locaux riches en métaux tels que les sources hydrothermales. À mesure que l'oxygène et l'altération ont ensuite augmenté l'apport de molybdène aux océans, la biochimie basée sur le molybdène s'est davantage diversifiée, permettant aux organismes d'exploiter de nouvelles sources d'énergie. Pour le non-spécialiste, le message clé est que la boîte à outils métallique utilisée par les microbes d'aujourd'hui — et ultimement par les plantes et les animaux — a été largement assemblée il y a des milliards d'années, sous des cieux anoxiques, par de minuscules cellules qui ont appris à tirer parti de traces de ces éléments puissants.

Citation: 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

Mots-clés: molybdène, tungstène, Terre primitive, évolution microbienne, enzymes métalliques