一项由美国宇航局（NASA）资助的开创性研究揭示，地球上的生命早在37亿年前就已经开始利用钼元素，尽管当时这种金属在环境中极为稀缺。该成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications），是首个证明远古生命在如此早的地球历史阶段便依赖钼元素的研究。
如今，钼在细胞中扮演关键角色，通过构成多种关键酶来加速重要的生化反应。这些酶驱动着生物体多个核心生理过程，其意义不仅限于个体生命，更延伸到包括氮循环在内的行星尺度的生物地球化学循环。若无钼参与，这些反应虽仍可自然发生，但速度将慢到无法支撑生命运转。
“钼位于驱动碳、氮、硫主要循环的酶的催化中心，”该研究资深作者、威斯康星大学麦迪逊分校Kaçar实验室负责人Betül Kaçar解释道。她同时领导着NASA天体生物学跨学科联盟（ICAR）的MUSE项目。“追问生命何时开始利用钼，实际上是在追问一些最具影响力的代谢策略何时成为可能。”
钼在当今环境中分布广泛，生命已不再面临短缺问题。但早期地球截然不同。地质记录表明，数十亿年前地球海洋中仅含微量钼。其丰度上升大约发生在微生物开始进行光合作用之时，这一转变最终导致约24.5亿年前大气氧含量大幅增加，即著名的“大氧化事件”。这一变革深刻影响了生命演化进程。NASA此前的一项研究甚至提出，该时期环境钼的增加可能对复杂生命的出现至关重要。
这留下了一个关键问题：生物体究竟何时开始利用钼？鉴于钼在远古地球上的极度匮乏，天体生物学家曾推测早期生命可能依赖其他金属来加速关键反应。例如，钨在细胞内的行为与钼相似，至今仍被一些极端环境中的生物所利用。曾有假说认为，生命最初依赖钨，待钼变得充足后才转向钼。但新研究显示，故事远非如此简单。
为探究此问题，研究团队整合了关于钼在地质历史时期丰度变化的现有证据，并重建了钼在生命之树中的利用历史。结果显示，即便在钼稀缺时期，远古微生物仍能设法利用它，钨的情况亦然。“我们的工作表明，利用钼和钨的酶系统均具有太古宙根源，这意味着早期生命很可能同时使用这两种金属，而非遵循简单的‘先钨后钼’路径，”Kaçar表示。“我们认为钼的利用远比许多模型假设的更为古老，分子定年将其使用时间追溯至始太古代至中太古代，约37亿至31亿年前，远早于大氧化事件。”
MUSE ICAR团队此前于2024年发表的研究指出，海洋深处的特定环境可能是早期生物获取钼及其他稀有金属的场所。海底热液喷口可释放铁、锌、铜、镍、锰、钒、钼、钴和钨等微量金属。“即便太古宙海水中溶解态钼总体含量很低，热液喷口等局部系统仍可提供可用量的钼和其他金属，”Kaçar说。
新发现表明，即便存在多种可用金属，钼仍是早期生命为催化化学反应而选择的早期金属之一。“钼之所以值得‘选择’，是因为它能在广泛的底物和氧化还原条件下实现催化，”Kaçar解释道。“换言之，稀缺并未使钼变得不重要；其催化优势可能使其值得生命演化出获取和利用它的途径。”
这项工作表明，生命即使在元素稀缺时也能演化出利用有用元素的方式。它也提示，在搜寻地外生命时，应保持对可能不符合现代地球生命预期的生化可能性的开放态度。在宇宙中寻找生命并非简单地核查另一个世界是否与现今地球相似。通过研究地球自身的历史和生命的漫长演化，天体生物学家可以审视我们的星球与现在截然不同的时期。这一更广阔的视角有助于科学家更好地理解何种世界可能孕育我们所知的生命。
“我们的NASA ICAR项目表明，绘制地球上生物必需元素的演化历史，有助于预测其他世界生命可能利用的元素，而不同的非生物库存可能导致不同的生物元素选择，”Kaçar说。“生命探测应具备金属意识、氧化还原意识和演化意识。我们不应只寻找‘现今地球样生命’，而应寻找在具有不同氧化和金属可用性历史的行星上具有合理性的生化策略。”