生物对钼和钨的利用可追溯到34亿年前

古海洋中隐藏的一则金属故事

在植物覆盖陆地或动物在海洋中游动之前很久，微小的微生物已经在利用稀有金属驱动复杂的化学反应。本文探讨了两种金属——钼和钨——如何在超过三十亿年前推动地球最早期的生命。通过追溯处理这些金属的基因历史，作者表明生命开始利用它们的时间比地质学家曾认为的要早得多，且使用方式更加多样。

为何稀有金属对生命至关重要

钼和钨在细胞内作为催化主力，构成驱动碳、氮和硫循环关键反应的酶的核心。现代生物尤其依赖钼，然而对古岩石的化学研究表明早期海洋几乎不含钼。这带来了一个难题：如果海洋中的钼如此匮乏，生命如何能进化出对其广泛依赖？作者通过不看岩石而研究生物自身的“器械”来应对这一矛盾——即负责金属摄取、储存以及构建可插入酶中的特殊金属“辅助因子”的基因。

从现代基因组解读深时演化

研究小组汇编了超过1600个基因组的数据集，涵盖细菌、古菌和真核生物。他们在这些基因组中搜索了102类参与摄取钼和钨、构建其辅助因子以及在不同酶家族中使用它们的蛋白质。这些蛋白存在于横跨多种环境的生物中——从高温、无氧的热液喷口到凉爽、富氧的水体和土壤。尤其普遍的是制造基本钼辅助因子的蛋白，这种辅助因子在生命各个分支中共享，暗示其起源非常古老。相比之下，一些储存系统和专门化酶则较为罕见且分布零散。

为金属驱动的化学计时

为将这一基因组学调查转换为时间线，作者将每种蛋白的进化树与基于化石证据和分子钟模型构建的年龄标定生命树进行了比较。通过这种对齐，他们估计关键的“基因事件”——如起源、复制和传播——很可能发生的时间。他们的分析表明，使用钼和钨的酶已经出现在始太古代到中太古代，大约37亿到31亿年前——远早于许多海洋化学模型所允许的时间。构建钼核心辅助因子的机制在大约31亿到22亿年前出现在记录中，这一时期与引入两种金属进入细胞的完整运输系统的出现有重叠。

随氧化、温度与栖息地的变迁

现代基因组中的模式也揭示了环境与金属利用如何相互影响。耐受或需要氧气的物种倾向于携带更多与钼相关的基因，而严格无氧的微生物则更常依赖钨，尤其是在高温环境中。这与实验室数据显示的相符：钨基酶在高温和低氧化还原条件下表现最佳，而钼酶则能处理更广范围的反应类型。研究发现，某些钼酶家族——尤其是处理高度氧化氮和硫化合物的家族——在地球大气含氧量增加后变得更为常见，暗示表面化学的变化开辟了新的代谢生态位。

重新思考早期海洋和早期生命

综观结果，这项研究挑战了早期地球上钼稀缺阻止其广泛生物利用的观点。相反，生命似乎很早就投入构建对钼和钨都有效的复杂机制，可能利用了如热液喷口等局部富金属环境。随着氧气和风化作用后来增加了向海洋输送钼的量，基于钼的生物化学进一步多样化，使生物体能利用新的能量来源。对非专业读者而言，关键结论是：今天微生物——最终延伸到植物和动物—所使用的金属工具包，很大程度上是在数十亿年前的无氧天空下，由学会利用这些微量但强大元素的小细胞组装起来的。

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

关键词: 钼, 钨, 早期地球, 微生物演化, 金属酶