深度科學| Nat. Commun.: 生命代謝如何在極度缺鉬的遠古海洋中點亮

編者語：

“該文章破解生命“缺鉬”悖論：古太古代（34億年前）生命已構建鉬/鎢酶代謝網絡。這或許也是當前眾多固氮催化體系中廣泛引入鉬元素的重要原因。”

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背景介紹

在地球生命演化的宏大敘事中，鉬（Mo）扮演著一個矛盾而關鍵的角色。作為現代生物固氮、硫氧化等核心代謝酶的活性中心，鉬是維持全球碳、氮、硫循環不可或缺的微量元素（圖1）。然而，地質記錄揭示了一個令人困惑的“缺鉬悖論”：在距今37億至25億年前的太古宙，地球海洋處于缺氧狀態，缺乏氧化風化帶來的鉬源，其濃度僅為現代海洋的千分之一甚至更低。長期以來，學界存在一種假說：早期生命因鉬稀缺，可能優先使用化學性質相似但更易獲取的鎢（W），待大氧化事件（GOE）后海洋鉬濃度上升才“轉正”。

圖1. 鉬（Mo）缺乏影響植物的生長和生理

2026年5月5日，威斯康星大學麥迪遜分校Betül Ka?ar團隊在Nature Communications發表題為“Biological use of molybdenum and tungsten stems back to 3.4 billion years ago”的論文。研究團隊通過對現代生物基因組的系統發育與分子鐘分析，顯示早在古太古代至中太古代（約37–31億年前），生命就已構建了完整的鉬/鎢利用系統（包括轉運、輔因子合成及催化，圖2）。這意味著，盡管環境極度“缺鉬”，早期微生物依然“奢侈”地選擇了鉬作為關鍵催化劑，奠定了現代生物化學網絡的古老基石。

圖2. Mo在土壤氮循環中的作用

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圖文解析

1.現代生物鉬/鎢利用的全景圖譜

為了追溯遠古歷史，研究首先構建了現代生物鉬/鎢利用的“基因地圖”。團隊篩選了102個關鍵蛋白家族（圖3），涵蓋轉運（ModABC, TupABC）、輔因子合成（Moco biosynthesis）及四大酶家族（DMSOR, XO, SO, AOR）。

1）分布規律：鉬相關基因廣泛分布于細菌、古菌及真核生物中，且好氧生物的鉬基因數量顯著多于厭氧生物。相反，鎢基因則更多存在于厭氧及嗜熱微生物中。這表明氧氣水平是驅動鉬/鎢分工的關鍵生態因子——鉬更適應有氧氧化代謝，而鎢則保留在古老的厭氧環境中。

2）核心樞紐：Moco（鉬蝶呤輔因子）合成通路是分布最廣、最保守的系統。該通路存在于幾乎所有利用鉬/鎢的生物中，提示其可能是整個代謝網絡的“發動機”，起源極早。

圖3. 生物體對鉬/鎢的吸收、運輸和摻入到選定的鉬/鎢酶中的完整示意圖

2.分子鐘定年：關鍵節點的古老印記

研究利用系統發育分子鐘模型（圖3），將基因樹與物種樹進行比對，推算了鉬/鎢利用基因的“誕生時間”。

1）最早的信號（~37億年前）：DMSOR（二甲基亞砜還原酶）和XO（黃嘌呤氧化酶）家族的部分酶（如FwdB/FmdB）出現了最早的基因事件，可追溯至37–31億年前。這些酶參與甲烷生成（產甲烷古菌）及嘌呤代謝，是當時厭氧生態系統的核心催化劑。

2）固氮酶的起源：NifB、NifE等氮酶成熟蛋白的起源同樣可追溯至~30–27億年前的中太古代。這與地質記錄中太古宙沉積巖的氮同位素證據高度吻合，證實了固氮作用在早期海洋中的關鍵作用。

3）轉運系統的建立：鎢轉運系統TupABC的出現（~31–20億年前）略早于鉬轉運系統ModABC（~28–20億年前），但兩者在太古宙末期均已存在，說明生命很早就具備了從環境中“精準捕撈”這兩種金屬的能力。

圖4. 鉬相關基因的系統發育分布及其與宿主生態屬性的關聯

3.結構演化：獨立起源的酶家族

序列相似性網絡分析揭示了一個有趣的現象：四大鉬酶家族（DMSOR, XO, SO, AOR）之間缺乏顯著的序列同源性。這意味著它們可能并非源自同一個“祖先酶”，而是在演化史上多次獨立地“招募”了鉬/鎢輔因子。這種“趨同演化”策略使得生命能夠利用同一種金屬元素（Mo/W）催化截然不同的化學反應（如硫氧化 vs 醛氧化），展現了早期代謝網絡的模塊化與靈活性。

圖5. 地球歷史上生物鉬/鎢利用“構建”的演化綜合模型

4.破解“缺鉬”悖論：局部富集與生化優勢

既然海洋整體缺鉬，早期生命如何獲取這一稀缺資源？研究提出了兩種解釋：

1）局部熱點：在太古宙的熱液噴口環境中，水巖反應可釋放出高濃度的鉬。生命可能最初在這些“金屬綠洲”中演化出鉬利用系統，隨后才擴散至更廣闊的海域。

2）生化“物超所值”：鉬具有獨特的寬電位窗口，能夠高效催化從低電位（如固氮）到高電位（如硫氧化）的多種反應。盡管鎢在高溫厭氧下更穩定，但鉬的催化 versatility（多功能性）使其成為生命在稀缺環境下仍愿“投資”構建復雜合成通路（Moco）的優選。

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總結

本研究通過大規模基因組學與分子鐘分析，將生物鉬/鎢利用的起源時間提前至37億年前。研究證實，早期生命并未遵循“先鎢后鉬”的簡單演化路徑，而是在太古宙缺氧海洋中并行發展了基于鉬的復雜酶系統（DMSOR, XO）及固氮機制。盡管環境鉬濃度極低，但生命通過占據熱液富集區及利用鉬的優異催化性能，克服了資源限制，奠定了現代生物地球化學循環的分子基礎。

文獻信息

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

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