深度科学| Nat. Commun.: 生命代谢如何在极度缺钼的远古海洋中点亮

编者语：

“该文章破解生命“缺钼”悖论：古太古代（34亿年前）生命已构建钼/钨酶代谢网络。这或许也是当前众多固氮催化体系中广泛引入钼元素的重要原因。”

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背景介绍

在地球生命演化的宏大叙事中，钼（Mo）扮演着一个矛盾而关键的角色。作为现代生物固氮、硫氧化等核心代谢酶的活性中心，钼是维持全球碳、氮、硫循环不可或缺的微量元素（图1）。然而，地质记录揭示了一个令人困惑的“缺钼悖论”：在距今37亿至25亿年前的太古宙，地球海洋处于缺氧状态，缺乏氧化风化带来的钼源，其浓度仅为现代海洋的千分之一甚至更低。长期以来，学界存在一种假说：早期生命因钼稀缺，可能优先使用化学性质相似但更易获取的钨（W），待大氧化事件（GOE）后海洋钼浓度上升才“转正”。

图1. 钼（Mo）缺乏影响植物的生长和生理

2026年5月5日，威斯康星大学麦迪逊分校Betül Kaçar团队在Nature Communications发表题为“Biological use of molybdenum and tungsten stems back to 3.4 billion years ago”的论文。研究团队通过对现代生物基因组的系统发育与分子钟分析，显示早在古太古代至中太古代（约37–31亿年前），生命就已构建了完整的钼/钨利用系统（包括转运、辅因子合成及催化，图2）。这意味着，尽管环境极度“缺钼”，早期微生物依然“奢侈”地选择了钼作为关键催化剂，奠定了现代生物化学网络的古老基石。

图2. Mo在土壤氮循环中的作用

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图文解析

1.现代生物钼/钨利用的全景图谱

为了追溯远古历史，研究首先构建了现代生物钼/钨利用的“基因地图”。团队筛选了102个关键蛋白家族（图3），涵盖转运（ModABC, TupABC）、辅因子合成（Moco biosynthesis）及四大酶家族（DMSOR, XO, SO, AOR）。

1）分布规律：钼相关基因广泛分布于细菌、古菌及真核生物中，且好氧生物的钼基因数量显著多于厌氧生物。相反，钨基因则更多存在于厌氧及嗜热微生物中。这表明氧气水平是驱动钼/钨分工的关键生态因子——钼更适应有氧氧化代谢，而钨则保留在古老的厌氧环境中。

2）核心枢纽：Moco（钼蝶呤辅因子）合成通路是分布最广、最保守的系统。该通路存在于几乎所有利用钼/钨的生物中，提示其可能是整个代谢网络的“发动机”，起源极早。

图3. 生物体对钼/钨的吸收、运输和掺入到选定的钼/钨酶中的完整示意图

2.分子钟定年：关键节点的古老印记

研究利用系统发育分子钟模型（图3），将基因树与物种树进行比对，推算了钼/钨利用基因的“诞生时间”。

1）最早的信号（~37亿年前）：DMSOR（二甲基亚砜还原酶）和XO（黄嘌呤氧化酶）家族的部分酶（如FwdB/FmdB）出现了最早的基因事件，可追溯至37–31亿年前。这些酶参与甲烷生成（产甲烷古菌）及嘌呤代谢，是当时厌氧生态系统的核心催化剂。

2）固氮酶的起源：NifB、NifE等氮酶成熟蛋白的起源同样可追溯至~30–27亿年前的中太古代。这与地质记录中太古宙沉积岩的氮同位素证据高度吻合，证实了固氮作用在早期海洋中的关键作用。

3）转运系统的建立：钨转运系统TupABC的出现（~31–20亿年前）略早于钼转运系统ModABC（~28–20亿年前），但两者在太古宙末期均已存在，说明生命很早就具备了从环境中“精准捕捞”这两种金属的能力。

图4. 钼相关基因的系统发育分布及其与宿主生态属性的关联

3.结构演化：独立起源的酶家族

序列相似性网络分析揭示了一个有趣的现象：四大钼酶家族（DMSOR, XO, SO, AOR）之间缺乏显著的序列同源性。这意味着它们可能并非源自同一个“祖先酶”，而是在演化史上多次独立地“招募”了钼/钨辅因子。这种“趋同演化”策略使得生命能够利用同一种金属元素（Mo/W）催化截然不同的化学反应（如硫氧化 vs 醛氧化），展现了早期代谢网络的模块化与灵活性。

图5. 地球历史上生物钼/钨利用“构建”的演化综合模型

4.破解“缺钼”悖论：局部富集与生化优势

既然海洋整体缺钼，早期生命如何获取这一稀缺资源？研究提出了两种解释：

1）局部热点：在太古宙的热液喷口环境中，水岩反应可释放出高浓度的钼。生命可能最初在这些“金属绿洲”中演化出钼利用系统，随后才扩散至更广阔的海域。

2）生化“物超所值”：钼具有独特的宽电位窗口，能够高效催化从低电位（如固氮）到高电位（如硫氧化）的多种反应。尽管钨在高温厌氧下更稳定，但钼的催化 versatility（多功能性）使其成为生命在稀缺环境下仍愿“投资”构建复杂合成通路（Moco）的优选。

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总结

本研究通过大规模基因组学与分子钟分析，将生物钼/钨利用的起源时间提前至37亿年前。研究证实，早期生命并未遵循“先钨后钼”的简单演化路径，而是在太古宙缺氧海洋中并行发展了基于钼的复杂酶系统（DMSOR, XO）及固氮机制。尽管环境钼浓度极低，但生命通过占据热液富集区及利用钼的优异催化性能，克服了资源限制，奠定了现代生物地球化学循环的分子基础。

文献信息

Aya S. Klos, Morgan S. Sobol, Joanne S. Boden, Eva E. Stüeken, Rika E. Anderson, Kurt O. Konhauser & Betül Kaçar, Biological use of molybdenum and tungsten stems back to 3.4 billion years ago, Nature Communications, 2026, 17, 3943.

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