早期地球钼稀缺，生命仍优先选择

地球生命的存续依赖于碳、氢、氮、氧、磷、硫等有机元素（CHNOPS），这些构成了生物体约98%的质量。然而，仅靠这些元素并不足以支撑复杂的生化反应，细胞内部还需要微量的金属元素作为关键催化剂。为了揭示地球生命的演化历程，科学家致力于追踪这些关键元素在环境中的循环及其可用性变化。

钼的催化优势超越稀缺性限制

钼（Mo）是生物化学中至关重要的金属元素，它能显著加速细胞内的反应速度，从而使得复杂生命的出现成为可能。尽管科学家长期知晓钼在大多数生命形式中的核心酶成分作用，但其历史可用性及其如何塑造地球生命的具体过程曾一直模糊不清。近期获得美国国家航空航天局（NASA）资助的一项新研究，揭示了钼在生物圈中的历史轨迹，以及早期生命如何在资源匮乏时依赖它。

此前有研究认为，在地球早期阶段，钼的稀缺性构成了生命利用它的障碍。但这项发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上的Zui新工作表明，即便在含量较低时，生命依然选择了钼。该研究的共同第一作者是威斯康星大学麦迪逊分校细菌学系的阿雅·克洛斯（Aya Klos），作者是该校卡恰尔实验室（Kaçar Lab）负责人贝图尔·卡恰尔（Betül Kaçar）。卡恰尔还领导着位于该校的美国国家航空航天局天体生物学跨学科联合体（ICAR）项目“MUSE”。

推翻“先钨后钼”的传统演化假说

卡恰尔在新闻稿中指出：“钼位于运行主要碳、氮和硫反应的酶的催化中心。询问生命何时开始使用钼，实际上是在询问某些Zui具影响力的代谢策略何时成为可能。”另一种金属钨（W）扮演着与钼相似的角色，现代一些极端环境生物甚至完全依赖钨而非钼。科学家曾推测，早期生物可能先利用钨，随后随着钼的可用性增加才演化出使用钼的能力。然而，这项研究得出了相反的结论。

研究人员追踪了钼在整个地球历史中的丰度及其在生命之树各分支生物中的使用情况。他们发现，尽管古代钼资源稀缺，但古老微生物仍利用了它；钨的情况亦然。这表明生物体并非遵循简单的“先钨后钼”路径。卡恰尔表示：“我们的工作显示，使用钼和钨的酶系统均起源于太古宙（Archean），这意味着早期生命可能同时利用这两种金属。”分子测年数据显示，钼的利用可追溯至37亿至31亿年前的古太古代至中太古代，远早于大氧化事件（Great Oxidation Event, GOE）。

尽管早期地球上的钼并未广泛分布，但在某些局部地区是可获取的。海底热液喷口是铁、锌、锰、钨和钼等金属的早期来源地——这也是天体生物学家关注太阳系其他海洋世界（如木卫二、土卫六）类似喷口的原因之一。卡恰尔解释道：“即使太古宙海水中溶解的钼整体很少，但像热液喷口这样的局部系统仍能提供可用的钼和其他金属。”

从地球演化到系外行星探测启示

关键在于，尽管这些局部地区有多种金属可用，生命却选择了钼。在细胞功能方面，钼就像是一把“瑞士军刀”，因其能在广泛的底物和氧化还原条件下进行催化，这种优势使其即便在整体稀缺的情况下仍变得至关重要。卡恰尔指出：“钼可能因其‘值得被选择’，因为它能实现广泛的催化作用。换句话说，稀缺性并未使钼变得不重要；其催化优势可能促使生命演化出获取和利用它的方式。”

研究团队还解释，在大氧化事件前后及期间，基于钼的酶及其相关系统变得更加普遍。随着氧化风化开始从陆地向海洋输送更多的钼，基于钼的生物化学部分可能是为了应对供应源从热液喷口向河流输入的转移而演化的。

这一发现对寻找地外生命具有深远影响。卡恰尔强调：“美国国家航空航天局ICAR项目表明，绘制地球生物必需元素的演化历史，有助于预测其他世界生命可能使用的元素。不同的非生物库存可能导致不同的生物元素选择。生命探测应具备‘金属意识’、‘氧化还原状态意识’和‘演化意识’。我们不应仅寻找‘当下的类地生命’，而应寻找那些在具有不同氧化历史和金属可用性的星球上合理的生化策略。”

地球从原始的化学汤演变为如今生机勃勃的星球，是一部漫长而复杂的史诗。科学家通过追踪生命如何利用钼等稀缺元素来提升效率和复杂性，不仅深化了对地球生命的理解，也为探索其他宜居系外行星提供了关键线索。