Биологическое использование молибдена и вольфрама восходит к 3,4 миллиардам лет назад

История металлов, скрытая в древних морях

Задолго до того, как растения озеленили сушу, а животные заполнили океаны, крошечные микробы уже выполняли сложную химию, опираясь на редкие металлы. В этой статье рассматривается, как два таких металла — молибден и вольфрам — подпитывали раннюю жизнь Земли более трёх миллиардов лет назад. Прослеживая историю генов, которые работают с этими металлами, авторы показывают, что жизнь начала использовать их гораздо раньше и в более разнообразных ролях, чем предполагали геологи.

Почему редкие металлы важны для жизни

Молибден и вольфрам служат каталитическими «рабочими лошадками» внутри клеток, находясь в центре ферментов, которые запускают ключевые реакции в циклах углерода, азота и серы. Современные организмы особенно зависят от молибдена, тогда как химические исследования древних пород указывают на то, что ранние океаны почти не содержали этот металл. Это создавало загадку: если моря были бедны молибденом, как жизнь могла эволюционировать с такой распространённой зависимостью от него? Авторы решают этот диссонанс, изучая не породы, а биологический аппарат — гены, отвечающие за транспорт, запасание металлов и сборку специальных содержащих металл кофакторов, которые вставляются в ферменты.

Чтение глубокой истории по современным геномам

Команда собрала набор данных более чем из 1600 геномов, охватывающих бактерии, археи и эукариоты. Они искали в этих геномах 102 группы белков, участвующих в захвате молибдена и вольфрама, построении их кофакторов и использовании в разных семьях ферментов. Эти белки встречаются у организмов, живущих в широком спектре сред — от горячих бескислородных гидротерм до прохладных, насыщенных кислородом вод и почв. Особенно широко распространены белки, создающие базовый молибденовый кофактор, который, как оказалось, общ для всех ветвей жизни, что указывает на очень древнее происхождение. Напротив, некоторые системы запасания и специализированные ферменты встречаются реже и имеют более фрагментарное распределение.

Определение времени подъёма металл-управляемой химии

Чтобы перевести этот геномный обзор в хронологию, авторы сопоставили филогенетические деревья каждого белка с калиброванным по возрасту древом жизни, построенным на основе ископаемых данных и молекулярных часов. Эта реконсиляция позволила им оценить, когда вероятно происходили ключевые «генные события», такие как происхождение, дупликация и распространение. Их анализ указывает на то, что ферменты, использующие молибден и вольфрам, уже присутствовали в эо- и мезоархее, примерно 3,7–3,1 миллиарда лет назад — значительно раньше, чем позволяли многие модели океанической химии. Аппарат по сборке основного молибденового кофактора появляется в летописи около 3,1–2,2 миллиарда лет назад, совпадая по времени с появлением полноценных транспортных систем, импортирующих оба металла в клетки.

Сдвиги под влиянием кислорода, температуры и среды обитания

Шаблоны в современных геномах также показывают, как среда и употребление металлов были взаимосвязаны. Виды, которые переносят или требуют кислорода, как правило, несут больше генов, связанных с молибденом, тогда как строго бескислородные микробы чаще опираются на вольфрам, особенно в тёплых условиях. Это согласуется с лабораторными данными, показывающими, что вольфрамсодержащие ферменты работают лучше при высоких температурах и низких редокс-условиях, тогда как молибденовые ферменты справляются с более широким набором реакций. Исследование обнаруживает, что некоторые семейства молибденовых ферментов — особенно те, которые перерабатывают сильно окисленные формы азота и серы — стали более распространёнными после того, как атмосфера Земли обогатилась кислородом, что намекает на то, что изменение поверхностной химии открыло новые метаболические ниши.

Переосмысление ранних океанов и ранней жизни

В совокупности результаты оспаривают представление о ранней Земле, где дефицит молибдена препятствовал его широкому биологическому использованию. Скорее, жизнь, по-видимому, рано инвестировала в сложный аппарат как для молибдена, так и для вольфрама, вероятно, эксплуатируя локальные среды, богатые металлами, такие как гидротермальные источники. По мере того как кислород и выветривание позднее увеличили доставку молибдена в океаны, молибденовая биохимия ещё больше диверсифицировалась, позволяя организмам осваивать новые источники энергии. Для неспециалиста ключевой вывод таков: металлический набор инструментов, используемый современными микробами — а в конечном счёте растениями и животными — в значительной степени сформировался миллиарды лет назад, под анаэробным небом, маленькими клетками, которые научились максимально эффективно использовать следовые количества этих мощных элементов.

Цитирование: 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

Ключевые слова: молибден, вольфрам, ранняя Земля, микробная эволюция, металлические ферменты