我們對(duì)生命了解的進(jìn)展

在過(guò)去的20年里，很多學(xué)科上取得的進(jìn)展已經(jīng)幫助我們更好地了解了自然以及地球上生命的進(jìn)化。這些科學(xué)進(jìn)展也已經(jīng)幫助我們?yōu)樘丈飳W(xué)奠定了良好的基礎(chǔ)，也為探索太陽(yáng)系中以及太陽(yáng)系以外生命的存在創(chuàng)造了新的可能性。

對(duì)生命的新探索

1987年，伊利諾伊大學(xué)的卡爾·沃斯公開(kāi)發(fā)表了第一份通用的生物演化譜系圖解。這份通用的生物演化譜系圖解是基于基因序列比較繪制而成，從生物演化譜系圖解可以看出：存在3大域——古細(xì)菌、細(xì)菌以及真核。這3個(gè)域由許多界組成，幾乎所有的界都有微生物。這與將生物界分成5個(gè)界(動(dòng)物界、植物界、菌類界、原生生物界以及原核生物界，在這5個(gè)界中，多細(xì)胞植物界和動(dòng)物界最重要)的觀點(diǎn)相反。

也許我們從這個(gè)通用的生物演化譜系圖解中已經(jīng)認(rèn)可的最基本的情況之一，就是我們生活在一個(gè)充滿微生物的行星上。生物界歷史的前85％幾乎全被微觀生物所占。

尋找古生物學(xué)痕跡

在查爾斯·達(dá)爾文時(shí)代，人們對(duì)微生物生命在生物界進(jìn)化歷史中的重要性認(rèn)識(shí)有限。已知最古老的化石是距今5.4億年前在寒武紀(jì)末期出現(xiàn)的硬殼無(wú)脊椎動(dòng)物。大約在1850年，達(dá)爾文的《物種起源》問(wèn)世；與此同時(shí)人們首次描述了疊層沙(古代微生物群落生成的泥沙)的結(jié)構(gòu)。

在地球歷史上，寒武紀(jì)之前的這段時(shí)間(稱為前寒武紀(jì))被認(rèn)為是缺少化石與生命證據(jù)的時(shí)期。但是在1993年，加利福尼亞州立大學(xué)洛杉磯分校的J，威廉·舍普夫報(bào)道：在澳大利亞西部，從含疊層沙的地層中發(fā)現(xiàn)了大約35億年前的細(xì)菌微生物化石。然后在1996年，科羅拉多州大學(xué)的史蒂文斯·莫伊西斯對(duì)格陵蘭出土的39億年前古老巖石中可能存在的生物的化學(xué)特征進(jìn)行了描述。這兩項(xiàng)就是目前地球上最古老生命的紀(jì)錄保持者。

在前寒武紀(jì)古生物學(xué)方面取得的這些進(jìn)展，已經(jīng)將地球上的生命記錄向后推到了地球上第一個(gè)適合生存的自然環(huán)境出現(xiàn)時(shí)間的5億年之內(nèi)。這說(shuō)明：一旦為生命之源所需的條件成熟，生命就會(huì)很快出現(xiàn)。盡管我們還不能確切地知道能有多快，但是從地質(zhì)年代表上可以確定的是，它比從前所認(rèn)為的短得多。

初期生命受到的撞擊影響

在44億年之前，地球上的地面條件對(duì)于生命的起源是不利的。頻繁出現(xiàn)的小行星撞擊將許許多多的熔融巖石灑遍地球的表面。容易蒸發(fā)的化合物(如水)與對(duì)生物非常重要的元素(如碳、氫、氧、氮、硫以及磷)通過(guò)易揮發(fā)逸出與磨蝕的綜合作用消失于空中。

大約40億年以前，撞擊的次數(shù)逐漸減少，撞擊的激烈程度也逐漸減弱，地球可以保持由彗星及其他冰冷物體輸送來(lái)的水與有機(jī)物。一個(gè)穩(wěn)定的大氣圈與海洋發(fā)展起來(lái)了，為生命提供了第一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。但是，模型研究也表明：一直到38億年以前，正在出現(xiàn)的生物界也許已經(jīng)歷了一次或多次巨大的撞擊。這些撞擊已經(jīng)能夠?qū)⒑Ｑ罄锏乃舭l(fā)掉，將地面環(huán)境里的細(xì)菌全部殺死。

這個(gè)通用的生物演化譜系圖解最深的分支——估計(jì)距生命的共同祖先最近的那些分支——都有一個(gè)共同有趣的特性：偏愛(ài)很高的溫度。對(duì)于一些科學(xué)家而言，這意味著生命或許已經(jīng)在高溫(也許在深海熱液噴口附近)下已經(jīng)開(kāi)始了。對(duì)于其他的人(包括我自己)而言，與其說(shuō)我們似乎看不到生命起源的環(huán)境，還不如說(shuō)是看不到上次巨大撞擊以后盛行的環(huán)境了。這些形式可以簡(jiǎn)單地成為生物體的后裔，而這些后裔通過(guò)隱匿在熱水環(huán)境中生存下來(lái)。

地下生物界

1979年，海洋學(xué)家羅伯特·巴拉爾與生物學(xué)家J_弗雷德里克·格拉斯勒駕駛深水潛艇“伊利斯”號(hào)下潛到海底。他們的任務(wù)是詳細(xì)勘察火山口及其相關(guān)動(dòng)物區(qū)系的情況。在這些部位，科學(xué)家首次看到了全部依賴化學(xué)物質(zhì)生存的生態(tài)系統(tǒng)。

隨著這次探險(xiǎn)的繼續(xù)，在幾乎每個(gè)大洋盆地中都發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜的熱液口生物群落，證明這些生物體即使遷徙到分布范圍最廣的自然環(huán)境，它們也有出色的生存能力。如今，還有跡象表明：光合生物能夠利用熱液口發(fā)出的微弱的熱發(fā)光輻射。這已經(jīng)表明存在一種吸引人的可能性：光合作用在深海熱液口環(huán)境下可能也有進(jìn)化的基礎(chǔ)。

近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)：水與巖石之間的相互作用產(chǎn)生的可用能量能夠使地下深環(huán)境中的生物茁壯成長(zhǎng)。盡管許多地下生物體利用地面生物光合作用產(chǎn)生的“向下過(guò)濾”的有機(jī)化合物生存，但是一些物種仍能夠從純無(wú)機(jī)環(huán)境中(由地下水與巖石之間簡(jiǎn)單的風(fēng)化反應(yīng)產(chǎn)生的)制造自己的有機(jī)分子。

極端環(huán)境下的生物

如今已知：微生物物種幾乎占據(jù)pH值的全部范圍，從1.4(極端酸性)到13.5(極端堿性)都有。生物也能在極端溫度下生長(zhǎng)，其中一些物種可以在高達(dá)114℃(如意大利武爾卡諾火山的熱泉與深海熱液口)的環(huán)境下生長(zhǎng)，而另外一些物種可以在低至-15℃(如西伯利亞永凍土中的巖鹽膜)的情況下生存。生物同樣也占了鹽度很寬的范圍，從淡水到析出鹽的氯化鈉飽和環(huán)境(鹽度大約達(dá)300％)都能生長(zhǎng)。

除適應(yīng)環(huán)境之外，一些微生物物種有壽命顯著延長(zhǎng)的跡象。即使在地球上最干燥的沙漠里，一些物種通過(guò)生活在多孔巖石之內(nèi)也能生存下來(lái)。在多孔巖石之內(nèi)，它們能夠找到一個(gè)紫外線輻射照不到的安全區(qū)。只有當(dāng)能夠獲得其生長(zhǎng)所需的水時(shí)，它們才會(huì)突然活躍起來(lái)。微生物已經(jīng)與西伯利亞永凍土隔絕，在這里，它們已經(jīng)在深冷凍土中待了大約300萬(wàn)年。細(xì)菌已經(jīng)從有3000萬(wàn)年歷史的孢子中發(fā)育出來(lái)，而這些孢子仍為琥珀色。嗜鹽微生物也已經(jīng)從具有億萬(wàn)年歷史的巖鹽中栽培出來(lái)。

探索地球外生命

在探索地球外生命中應(yīng)該特別重視的是，為太陽(yáng)系中其他地方的生命尋找可能的生存環(huán)境。例如，現(xiàn)在我們必須考慮在火星或木星衛(wèi)星——木衛(wèi)二上可能存在一個(gè)地下生物界。

火星的地下水范圍可能很廣，位于地表以下幾千米。最近的探測(cè)發(fā)現(xiàn)，火星表面的小河槽是由地面滲流所致，更能上述說(shuō)法提供了佐證。如果能證明液態(tài)水是形成這些地貌的原因，則火星上存在生物的可能性將顯著增加。

地表液態(tài)水在火星表面也許已經(jīng)存在了幾億年，早在行星出現(xiàn)之初就有了。如果在此類似地球期的火星上發(fā)展出了地面生物，則它很可能將地球化石的最高紀(jì)錄遠(yuǎn)遠(yuǎn)地拋在后面。

我們都知道，冷卻是保護(hù)生物體的一種有效方式?？枴に_根首次提出：今天，火星上早期生長(zhǎng)的微生物仍然以永久凍結(jié)狀態(tài)存在，保存在地下冰中。

木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二的情況也一樣嗎?實(shí)施“伽利略”計(jì)劃期間獲得的有關(guān)木衛(wèi)二磁場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果。已經(jīng)夯實(shí)了在水冰外殼之下存在一個(gè)咸海的觀點(diǎn)。從上到下的水井可以運(yùn)送生物體及其產(chǎn)物，這似乎很合情合理。這些物體最后將被冰凍起來(lái)，并保留在地面上或地面附近寒冷的冰中。

結(jié)論

有一件事情似乎是清楚的：在地球上，生命實(shí)際上占據(jù)了各個(gè)可想象的自然環(huán)境，在此自然環(huán)境中，液態(tài)水、能源以及基本的營(yíng)養(yǎng)物同時(shí)存在。在其他星球上情況是否是這樣，是當(dāng)今太空生物學(xué)面對(duì)的首要問(wèn)題之一。盡管我們能夠有效利用已經(jīng)學(xué)到的關(guān)于地球生命的知識(shí)，但是對(duì)關(guān)于地球外生命的這個(gè)問(wèn)題仍然需要做進(jìn)一步研究。這也許就是天體生物科學(xué)最令人注目的方面，也是我們度量我們?nèi)〉眠M(jìn)步所依據(jù)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。