降低钼对钼基固氮酶固氮作用的限制

为何这段古老化学对今天仍然重要

地球上的所有生命都依赖氮——它是DNA和蛋白质的组成成分。然而大多数生物无法利用构成大气主要成分的氮气；它们依靠专门的微生物将氮“固定”成可被利用的形式。几十年来，科学家们认为地球早期海洋中缺乏一种关键金属钼，无法支持这一过程，从而可能延缓生命的崛起。本研究在一个模拟数十亿年前行星化学环境的现代湖泊中对该观点进行了检验。

作为时间机器的现代湖泊

明尼苏达州北部的德明湖是一个小型、永久分层的湖泊，其水体在若干方面与古海类似。表层富含氧气并以进行光合作用的蓝藻为主，而更深的水层则黑暗、缺氧并富含溶解铁——科学家称之为富铁条件。测量显示，钼和硫酸盐这两种被认为控制固氮活动的溶解组分在此极为稀缺：钼通常低于十亿分之一摩尔每升，硫酸盐低于百万分之一摩尔每升。这使得德明湖成为检验当钼极其稀少时固氮能否繁荣的理想天然实验室。

追踪看不见的氮流动

为了判断微生物是否在这些贫乏条件下仍然进行固氮，研究者结合了多种证据。首先，他们测量了水中相对于惰性气体氩的氮气减少量，并在蓝藻最活跃的区域发现了净氮损失的特征信号。随后他们使用同位素示踪技术，在回放到湖中的瓶装湖水中加入了重氮气（¹⁵N₂）。在24小时内，重氮在颗粒物中累计，表明在阳光照射的表层及其下方微生物的固氮速率为每升每天数十纳摩尔——对于如此营养贫乏的系统而言，这是可观的速率。

饿着系统的钼——但并未减速

如果钼真的是限制因素，补充一些钼应该会提升固氮率。于是研究团队在部分瓶式培养中额外添加了钼，使浓度升至仍属海洋标准下限但远高于湖泊背景的水平。然而，固氮速率并没有在统计学上显著增加。在固氮最强的相同深度，补加钼与否的结果几乎没有差别。这表明在德明湖，固氮微生物并未因钼供应而受限，即便其浓度比今日海洋低一百倍以上。

哪些分子工具在发挥作用？

为识别支撑这一稳健固氮的分子机器，作者对不同深度微生物的DNA和RNA进行了测序。他们关注构建固氮酶（将氮气转化为生物可用形式的酶复合体）的基因，以及将钼转运入细胞的基因。他们检测到的每一组固氮酶基因都编码经典的钼-铁型酶；那些仅使用铁或钒的替代型并未出现。一种与Synechococcus相关的蓝藻在数量和转录活性上尤为突出，它携带钼基固氮酶基因以及高亲和力的转运系统，能够捕获痕量钼。湖中极低的硫酸盐水平可能进一步减弱了硫酸盐与钼酸盐在这些转运位点上的竞争，使微生物能更高效地获取钼。

重新思考早期地球的氮动力

研究的核心信息是：只要硫酸盐也稀少并且微生物具备高效吸收系统，即便钼浓度降到低于一纳摩尔，基于钼的固氮仍能繁荣。这一发现削弱了长期以来早期海洋钼含量太低、不得不依赖替代金属型固氮酶的假设。相反，它支持地质和进化线索，表明钼基系统既古老又占主导地位。随着地球史上硫酸盐水平随后上升，可能正是这种变化产生了有利于钒-和铁型固氮酶进化的钼胁迫。简而言之，这项工作表明早期生命可能比我们以前想象的更少依赖钼，从而重塑了我们关于地球氮循环及其支持的生物圈如何最初形成的形象。

引用: Stevenson, Z., Schultz, D.L., Chamberlain, M. et al. Lowering the Mo limit for nitrogen fixation by Mo-nitrogenase. Commun Earth Environ 7, 169 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03193-9

关键词: 固氮, 钼, 蓝藻, 早期地球海洋, 湖泊生态学