生命的“黑匣子”歲月

海生

正像一個人成年后通?；貞洸黄鹆鶜q之前的事情，生命早期的歷史對于我們來說也幾乎是一片空白。大多數(shù)關(guān)于地球生命的故事是從5億多年前起頭的。那時，發(fā)生了一場叫“寒武紀大爆發(fā)”的事件，幾乎所有現(xiàn)存動植物的祖先一下子都如變戲法般地涌現(xiàn)出來。之后，就是一個為人熟悉的故事：魚類、兩棲類、昆蟲、陸生植物繁衍進化，恐龍興衰，最終人類出現(xiàn)……但它僅占生命歷史的八分之一，其余時間對于我們?nèi)匀皇莻€“黑匣子”。

解開“黑匣子”之謎的困難在于，寒武紀之前的生命幾乎沒留下化石痕跡。極少的化石遺跡也只是一些微小的模糊斑塊，不愿向我們吐露更多的秘密。然而，近幾年來，聰明的研究人員發(fā)現(xiàn)了揭開生命“黑匣子”歲月的新方法。

最早的生命比想象的要早得多

先是有了地球，它是在大約45.4億年前由巖石和塵埃形成的。不久之后地球被一顆小行星（或是幾顆）撞擊，撞擊將大塊物質(zhì)拋入太空，形成月球。地球之水是生命不可缺少的——它可能是彗星帶來的，或者來自星際空間。這一切構(gòu)成了生命上演的舞臺。

生命是什么時候開始的？確切時間并不清楚。目前無可爭議的最古老痕跡是澳大利亞西部的疊層石。這些保存下來的微生物“厚墊”已有34億年的歷史。但這還不是最早的生命，因為它們的細胞已經(jīng)有復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)。

目前有爭議的化石證據(jù)，則可追溯至41億年前。這個化石證據(jù)之所以有爭議，部分原因是人們過去普遍認為，地球在40～38億年前被小行星撞擊過，使得生命無法宜居——然而，這個看法已經(jīng)開始改變。過去幾年的模擬表明，大型隕石在從地球形成到大約30億年前，一直以低概率、斷續(xù)的方式撞擊地球，而不是短時間的密集轟炸。這樣的撞擊盡管可能會給生命制造點麻煩，但不會把它們徹底抹去。

這有助于解釋為什么2018年8月當一項新的計算將生命起源追溯至38億年前時，人們幾乎沒有反對。英國的戴維德·皮薩尼和他的同事收集了102個現(xiàn)存物種的基因數(shù)據(jù)，結(jié)合化石記錄，計算出進化的速度，使他們能夠估計生命史上一些關(guān)鍵事件是何時發(fā)生的。其中之一是地球上所有生物物種最近的共同祖先（英文縮寫LUCA）出現(xiàn)的時間。他們計算出，LUCA至少生活在39億年前;而最早的有機體甚至出現(xiàn)得更早——非常接近地球歷史的開端。這暗示著生命的出現(xiàn)可能比人們想象的要容易得多。

已知的最古老的動物化石證據(jù)，這種動物生活在大約5億年前。

形成疊層石的生物雖然古老，但還不是最早的地球生命。

第一次生命的大分化

我們對于LUCA的情況也已略有所知。LUCA可能擁有355個基因。這些基因表明它生活在炎熱地帶，用二氧化碳制造醋酸鹽。LUCA作為有機生命雖然已經(jīng)比較復(fù)雜，但仍缺少一些關(guān)鍵的功能，比如它不具備制造氨基酸（蛋白質(zhì)的主要成分）的機制，因此氨基酸很可能是從環(huán)境中攝取的。

在接下去的10億年里，生命在分化。根據(jù)皮薩尼的研究，第一次大分化發(fā)生在至少34億年前。它產(chǎn)生了兩種微生物——細菌和古細菌。它們盡管在顯微鏡下看起來幾乎無法分辨，但具有明顯不同的特征。特別是，許多古細菌已經(jīng)進化出在極端條件下（如高溫）生存的本領(lǐng)。古細菌養(yǎng)活自己的方式也不同尋常，例如一種產(chǎn)甲烷菌利用二氧化碳或醋酸來獲取能量，將甲烷作為廢物排泄出去。后面我們會講到，這種產(chǎn)甲烷菌在地球生命史上扮演了重要角色。

科學(xué)家計算出，產(chǎn)甲烷菌出現(xiàn)在大約35億年前。它出現(xiàn)得如此之早實在令人驚訝，但是通過分析被鎖在35億年前的巖石中的氣泡，研究人員發(fā)現(xiàn)里面確實含有甲烷。此外，這也符合當時正在發(fā)生的全球性氣候變化。大氣模型表明，那時地球上有液態(tài)水，但問題是，那時太陽輻射比現(xiàn)在要弱，單靠太陽光似乎不足以使冰融化。但大氣中有甲烷，地球保暖就不成問題了，因為甲烷是一種強大的溫室氣體。

因此，看起來古細菌是第一種影響地球氣候的生物。通過使地球保持溫暖，它們也支撐了原始生態(tài)系統(tǒng)的其余部分。

氧氣的出現(xiàn)對全球產(chǎn)生影響

產(chǎn)甲烷細菌的出現(xiàn)是革命性的，但這種代謝方式，食物轉(zhuǎn)化成能量的效率很低。后來，一些古細菌進化出了使用硫磺的能力，硫磺是一種更好的能源。再后來，一些細菌開始使用更高效的東西：氧氣。但只有當空氣中有氧氣時，這才可能。那氧氣是從哪里來的呢？

在地球歷史的前20億年里是沒有氧氣的。相反，氧元素被鎖在礦物和其他化學(xué)物質(zhì)中，因為它很容易與不同的元素發(fā)生反應(yīng)。但這一切在24億年前隨著一個“大氧化事件”而改變了。驅(qū)動力來自藍藻的繁盛。藍藻利用太陽光的能量進行光合作用。事實上，其他細菌在大約35億年前就已進化出光合作用的能力。但藍藻是第一個利用太陽能將二氧化碳和水合成糖，釋放出氧氣的生物。這樣一來，它們就成了第二種對全球產(chǎn)生影響的生物。

這個時候空氣中有氧氣了，但水平遠遠低于今天，并在此后的10多億年里保持著低水平狀態(tài)。盡管如此，氧氣還是引發(fā)了地球歷史上最引人注目的事件之一——嚴重的冰期，以至整個（或幾乎整個）地球都被凍住。第一個“雪球地球”是在空氣中出現(xiàn)氧氣后不久開始的，一直持續(xù)到21億年前。首要原因是大氣中的氧氣與產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的甲烷發(fā)生反應(yīng)，削弱了甲烷的溫室效應(yīng)。第二個原因是第一塊大陸的出現(xiàn)。陸地比海洋反射更多的太陽光，能截留下來的太陽熱量就減少了。最后一個原因是，陸地上巖石的風化（如石灰?guī)r的形成）消耗了空氣中另一種溫室氣體——二氧化碳。因為這些巖石都是從高溫的地幔中涌出來的，在高溫條件下，有些巖石是以生石灰的形式存在，但它們露出地表后，就會吸收水分和二氧化碳變成熟石灰。

我們傾向于認為氧氣是生命所必需的，但在一開始它是一種致命的污染物。即使現(xiàn)在，氧氣對厭氧菌也是有毒的，因此它可能對許多古代微生物都是致命的。它在空氣中的積累可能導(dǎo)致了第一次生命的大規(guī)模滅絕。

真核生物的出現(xiàn)

在這場令人毛骨悚然的劇變之后，出現(xiàn)了一段平靜的時期——或者不過是我們自己如此認為。傳統(tǒng)的觀點認為，隨著氣候的穩(wěn)定和氧氣含量的降低，進化停滯了。生命的歷史被認為是如此沉悶，以至于18億到8億年前這段時期被稱為“無聊的10億年”。事實上，這樣說不對。這是生命最大的兩次飛躍發(fā)生的時期。

第一次大飛躍是出現(xiàn)了一種被稱為“真核生物”的新生物體。這發(fā)生在18億年到12億年前，占據(jù)了“無聊的10億年”中大部分時間。真核細胞比以前的任何細胞都更大、更復(fù)雜。它們有復(fù)雜的內(nèi)膜;它們的DNA儲存在一個被稱為“細胞核”的小室中;它們含有小香腸狀的線粒體，線粒體為它們提供能量。只有真核細胞才能形成復(fù)雜的多細胞生物，如植物、昆蟲和人類，而不論之前的細菌還是古細菌，都不能以如此精巧的方式連接在一起。所以，真核生物的起源是生命史上最重要的事件之一。

阿斯加德古細菌是最接近真核細胞的單細胞生物。

真核生物不是通過競爭（生存競爭是進化的推動力）而是通過合作產(chǎn)生的。在某一時間點，一個古細菌吞下了一個細菌，然后兩種生物一起生活，細菌變作第一個線粒體。關(guān)于這件事是如何發(fā)生的，目前還存在爭議。通過研究最近發(fā)現(xiàn)的一組被稱為“阿斯加德古細菌”的有機體，我們可能很快就會解開這個謎。然而，復(fù)雜生命的出現(xiàn)似乎只發(fā)生過一次，因為地球上所有的生命都擁有一個共同的祖先，這表明，進化出復(fù)雜生命是一個非常偶然和罕見的事件。如果是這樣，那意味著，盡管其他行星也可能是單細胞生物的家園，但不一定能進化出復(fù)雜生命。

多細胞生物進化緩慢

隨著真核生物的進化，地球上的生命可能又經(jīng)歷了一次飛躍，成為多細胞生物。那么，那是什么時候發(fā)生的呢？直到1950年代，已知的最古老的多細胞生物化石證據(jù)都來自始于5.41億年前的寒武紀。后來，一群英國中學(xué)生發(fā)現(xiàn)了一塊化石，化石顯示的是生活在6.35～5.42億年前的一種古怪的多細胞生物。這種多細胞生物的性質(zhì)一直是個謎。

然而，即使這種古怪的多細胞生物也不是第一個多細胞生物。2016年，我國的一支地質(zhì)考察隊在巖石上發(fā)現(xiàn)了一組矩形和舌形的斑塊，最長達30厘米。它們看起來像一群原始的海藻，它們的年齡可追溯至15.6億年前。這些細胞排列十分緊致，這強烈暗示它們屬于同一個多細胞生物。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，直到大約15.7億年前，這種多細胞生物后來所生活的海洋中氧含量一直較低，然后才開始上升。這些生物剛好在氧氣含量上升期出現(xiàn)，這似乎又表明，海水中氧含量的增加是促使它們變大、變復(fù)雜的原因。

從發(fā)現(xiàn)于我國的15.6億年前的這種多細胞生物進化到英國中學(xué)生發(fā)現(xiàn)的那種古怪多細胞生物，時間上花去了近10億年，而形態(tài)還是那么原始！多細胞生物在最初的10億年里為什么進化得如此緩慢呢？

一種可能是，必須等氧氣含量進一步上升生命結(jié)構(gòu)才能變得復(fù)雜;另一種可能是期間經(jīng)歷了第二個雪球地球時期（發(fā)生在7.2億年至6.35億年前），在天寒地凍的條件下，繁衍速度慢下來，進化的速度也就減慢了。

上述這些，就是迄今我們所獲得的關(guān)于生命的“黑匣子”歲月的知識。雖然謎團沒有被我們完全解開，但我們知道的已經(jīng)比幾年前多得多了。很明顯，如果沒有進化史上最初的35億年發(fā)生的一系列創(chuàng)新，我們今天所知道的生命將不復(fù)存在。

拓展閱讀

狂轟濫炸何時了？

在太陽系中，小行星帶以內(nèi)的區(qū)域叫內(nèi)太陽系。處在內(nèi)太陽系的行星有水星、金星、地球和火星。過去流行的一個觀點是，在太陽系形成的早期，內(nèi)太陽系內(nèi)的行星曾在相當長一段時間內(nèi)受過小行星和彗星的密集轟炸。

這個看法倒也合情合理。因為太陽系在形成之初，就像一座剛建造的房子，里面充滿了散亂的東西（如小行星），這些東西終究要有個去處，所以不是落到太陽，就是落到這些塊頭較大的行星上。只是這陣大規(guī)模的狂轟濫炸持續(xù)了多久，何時結(jié)束的呢？

搞清這一點對于了解地球生命的起源尤為重要，因為很顯然，小行星狂轟濫炸下的地球環(huán)境是不適宜生命生存的，所以地球生命的歷史，應(yīng)該在此之后。

那么，這一時期是什么時候結(jié)束的呢？

過去的說法是，這場“大轟炸”持續(xù)到大約38億年前。但最近的研究表明，小行星和彗星撞擊內(nèi)太陽系行星的規(guī)模和頻率在44.8億年前就已開始下降，到42億年前，火星和地球就已經(jīng)適宜生命生存了。這比原先設(shè)想的早了5億年。

過去的太陽更冷

按天文學(xué)家的看法，像太陽這樣的恒星，在最初階段屬于那種越燒越亮的天體。這是因為太陽是靠把氫聚變成氦而發(fā)光、向周圍釋放能量的。這種聚變一開始發(fā)生在太陽的中心部位，因為那兒的溫度最高，所以核聚變最先發(fā)生于那里。等到中心的氫燃燒殆盡，核聚變才會漸漸移向靠近太陽表面的區(qū)域?？紤]到太陽的表面離地球更近，而且光線也更容易逃逸出來，所以這種轉(zhuǎn)移會使太陽越來越熱。據(jù)科學(xué)家推算，早期的太陽每秒釋放出的能量只及現(xiàn)在的70%。所以那時地球平均氣溫比現(xiàn)在要低25℃。

小貼士

疊層石

由單細胞生物在生命活動過程中，與海水中的鈣、鎂碳酸鹽及其碎屑顆粒粘結(jié)、沉淀而形成的一種化石。

阿斯加德古細菌

阿斯加德古細菌是瑞典科學(xué)家發(fā)現(xiàn)于海底沉積物的4種微生物的總稱。這4種微生物被分別以北歐神話里神的名字命名：Thor、Odin、Loki、Heimdall。阿斯加德古細菌是跟真核生物最接近的單細胞生物，它們雖然沒有細胞核，但與真核生物共享許多基因，這些基因迄今只發(fā)現(xiàn)于真核生物中。

生命的最早35億年