モリブデンとタングステンの生物学的利用は34億年前に遡る

古代の海に隠された金属の物語

植物が陸を緑に染め、動物が海を泳ぐずっと以前から、微小な微生物たちは希少金属が駆動する複雑な化学反応をすでに行っていました。本稿は、モリブデンとタングステンという二つの金属が、34億年以上前の地球最初期の生命をどのように支えたかを探ります。これらの金属を扱う遺伝子の歴史をたどることで、生命がそれらを利用し始めた時期と利用の幅が、地質学者の従来の想定よりもはるかに早く、より多様であったことを示しています。

なぜ希少金属が生命に重要か

モリブデンとタングステンは細胞内で触媒的な働きを担い、炭素、窒素、硫黄のサイクルに関わる重要な反応を駆動する酵素の中心に位置します。現生の生物は特にモリブデンに依存していますが、古代の岩石の化学的研究は初期の海にほとんどモリブデンが含まれていなかったことを示唆します。もし海がモリブデンに乏しかったなら、どうして生命はそれほど広くモリブデンに依存するようになったのかというパズルが生じます。著者らは岩石ではなく生物学的機構そのもの──金属の取り込み、貯蔵、酵素に組み込まれる特別な金属含有“補因子”の構築に関わる遺伝子──に注目してこの不一致に取り組みます。

現代ゲノムから深い時間を読み解く

研究チームは細菌、古細菌、真核生物にまたがる1600以上のゲノムデータセットを組み立てました。これらのゲノムを調べ、モリブデンとタングステンの取り込み、補因子の構築、各種酵素ファミリーでの利用に関わる102群のタンパク質を探索しました。これらのタンパク質は、高温で酸素のないベントから冷涼で酸素に富む水域や土壌に至るまで、幅広い環境に生息する生物に見られます。特に基本的なモリブデン補因子をつくるタンパク質は広く分布し、すべての生命の枝に共通していることから非常に古い起源を示唆します。一方で、いくつかの貯蔵システムや特殊化した酵素は稀であり、分布が断片的です。

金属駆動化学の台頭を時系列で推定する

このゲノム調査を時間軸に変換するため、著者らは各タンパク質の進化系統樹を化石証拠や分子時計モデルで年齢較正された生命の系統樹と比較しました。この調整により、起源、重複、拡散といった重要な“遺伝子イベント”がいつ起きたかを推定できます。解析は、モリブデン・タングステンを用いる酵素がすでに始原〜中期アーケアン、概ね37〜31億年前に存在していたことを示唆しており、これは多くの海洋化学モデルが許容するより遥かに早い時期です。モリブデンの核心的補因子を構築する機構は約31〜22億年前には記録に現れ、両金属を細胞内に取り込む完全な輸送システムの出現と重なります。

酸素、熱、生息地とともに変わる利用パターン

現代ゲノムに見られるパターンは、環境と金属利用がどのように結びついてきたかも示します。酸素を許容または必要とする種はモリブデン関連遺伝子を多く持つ傾向がある一方、厳密に無酸素の微生物は特に高温環境でタングステンに頼ることが多いです。これは、タングステン依存酵素が高温・低レドックス条件でより良く働く一方、モリブデン酵素はより広い反応タイプに対応できるという実験室データに一致します。研究は、特に高度に酸化された窒素や硫黄化合物を処理する一部のモリブデン酵素群が、地球の大気に酸素が増えた後により一般化したことを示し、表層化学の変化が新たな代謝ニッチを開いたことを示唆します。

初期の海と初期の生命を再考する

総じて、これらの結果は初期の地球でモリブデンが希少だったためにその広範な生物学的利用が妨げられたという見方に挑戦します。代わりに、生命はモリブデンとタングステンの双方に対する高度な機構を早期に整え、熱水噴出孔のような局所的に金属に富む環境を活用していた可能性が高いと示されます。後に酸素と風化が進んで海へのモリブデン供給が増えると、モリブデン基盤の生化学はさらに多様化し、生物は新しいエネルギー源を利用できるようになりました。専門外の読者に向けた要点は、今日の微生物――そして最終的には植物や動物――が使う金属のツールキットは、酸素のない空の下、微小な細胞たちがこれらの強力な元素の微量を最大限に活用する方法を学ぶ過程で、何十億年も前に大部分が組み上げられたということです。

引用: 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

キーワード: モリブデン, タングステン, 初期地球, 微生物の進化, 金属酵素