生命的形態

閆寧

2016年9月，《自然》雜志報道稱在格陵蘭發現了假定的疊層石，距今37億年。如果珊瑚礁由微生物而不是珊瑚構成，那么疊層石就有點像古老的化石珊瑚礁。這是早期地球上最易于識別的生命證據之一。雖然地球生物學家阿比蓋爾·奧爾伍德曾經寫到，這些化石具有“相當可信的微生物活動標志”的特征，但地球生物學家羅杰·別克卻對此持懷疑態度，他說：“我有14個疑問需要解答，否則不能相信?！?/p>

2017年春天，地球生物學家多米尼克·帕皮諾及其同事報告說，在魁北克年齡為37.7億至42.8億年的富含鐵的巖石、赤鐵礦管和赤鐵礦絲中發現了化石中的微生物，其外表與現今生活在熱液噴口處的微生物相似。有人否定了他們的發現，認為那只不過是“疑似化石”而已。地質學家漢斯·霍夫曼于1972年提出用這個詞來形容有爭議的化石?；舴蚵f，“化石” 是生物得到了證實，“假化石”像生物但屬于無機物，“疑似化石”（也被稱為問題化石或雜化石）則含糊不清。誰也不能確定這些發現中有沒有古老的石化生物。

早在19世紀初“生物學”成為一門學科之前，科學家就努力去理解什么是“生命”。大約1000年前，亞里士多德在《存在的階梯》中就描述了一個連續體的自然排列，從巖石到人類的完美進步。17世紀的博物學家阿薩內修斯·基歇爾相信活力論在不同的物質中都有所體現，礦物的力量在衰減中形成了一些化石，這種衰減過程類似動植物的生長過程。19世紀的德國浪漫主義者，如諾瓦利斯和約翰·沃爾夫岡·馮·歌德對洞穴產生了極大興趣，認為同樣的個體力量產生了結晶，在人類中達到了高潮。“生命本身”并不存在，一切都是有機物。

今天的教科書給高中生傳授這樣的知識：生命具有特定的能力，如繁殖、新陳代謝、適應、自我組織和生長。但是，生物學家和其他科學家對于生命為什么獨特這個問題并不那么明確。1943年，物理學家歐文·薛定諤回答了“什么是生命”這個問題，他認為生命是一個負熵系統，跟其他任何系統一樣。這種思想影響了該世紀中葉的分子生物學家，他們借助控制論將生命想象為由分子“信息”組成的信號跟蹤器和同態調節器。由于某種原因，DNA仍被稱為“代碼”。20世紀末，不同的科學家也根據混沌理論、熱力學和其他物理過程來定義生命，計算機科學家甚至相信他們可以在電腦上產生人造生命。

地質學家在巖石中查找化石，這將幫助我們通過識別生物化石來解決生命構成的難題。對于時間較近的化石，比如說恐龍化石，答案很簡單?？铸堧m然已經滅絕，但它們的遺體看起來很像現存的生物體：雙側對稱，具有顯著的特征，如骨骼、牙齒和尾巴。但是，在5.41億至5.39億年前的寒武紀爆發之前，生命是完全不同的，當時是在一個進化的發作中，我們今天認識到的大多數動物的身體形態突然出現。那么，那些生活和死亡在幾乎完全不同于現在地球上的第一生命形式的殘骸是怎樣的呢？當時大陸還沒有擠成一團，地球還很年幼，海洋是硫黃，頭頂是蒼白的太陽，大氣中缺少氧氣，潮汐激增，每個月只有20天。人們該如何認識年齡在25億至39億年的化石呢？

這是驅動地球生物學這個學科發展的一個問題。這個學科起源于20世紀中葉，它的重大推論稱地球和生命是互相聯系的，我們的星球隨著生命的進化而變化。早期的地球與今天的地球截然不同，在早期的地球上搜尋化石，與我們想弄清楚火星、冰冷的月亮和系外行星上的生命是什么樣子同樣困難。這些問題并不新鮮。在19世紀中葉，自然主義者辯論一個名叫曙動物的奇怪實體是否是第一個生命形式；20世紀中葉的地理生物學家為研究新領域設定了指導方針，他們熱烈辯論如何區分真實的化石和石頭中逼真的印記；今天，地球生物學家的工作也有助于我們思考如何識別其他星球上的生命。

19世紀中期的一系列地質發現雖然鮮為人知，但首次表明了古生物的歷史可能更長，遠至地球的遠古時期，甚至到生命的起源本身。在1858年，寒武系地層下面的巖石并不被稱為前寒武紀，而是“無生代”，因為沒有人相信那里能找到生命。然而就在同一年，加拿大地質調查局的一位收藏家在勞倫系地層中發現了一種酷似石灰巖的生物。威廉·道森曾經師從查爾斯·萊爾，后來擔任位于加拿大蒙特利爾的麥吉爾大學的校長，他對巖石進行了檢查分析，說：“特殊的疊層形式，由石灰和蛇紋石碳酸鹽交替組成，或由石灰和白色輝石碳酸鹽組成?！痹凇段锓N起源》（1859年）中，查爾斯·達爾文指出（現在被稱為“達爾文的困境”），如果他的自然選擇論正確的話，那么化石記錄應該顯示有機體在最低志留紀階層沉積之前?！段锓N起源》出版之后，關于原始化石存在的科學爭論出現了波動。然而，找到化石很困難——如果說達爾文的觀點正確，那么這些化石在哪里？

道森是一位反達爾文主義者，但他認識到他看到的無疑是有機的模式——他相信那是巨型有孔蟲的骨骼遺?。ㄉL著堅硬外殼的單細胞有機體）。在論證這塊巖石具有真正的有機成因的時候，道森專注于他所謂的化石的“美麗和復雜性”。他注意到，要是只靠純粹的物理化學手段，他確定的一系列微管都不可能形成。1865年，他站在蒙特利爾自然歷史學會前，命名該有機體為“加拿大的曙動物”，認為該有機體是地球上所有生命的祖先。

道森讓曙動物在反對自然選擇論的運動中為自己辯解，因為千年以來它一直沒有改變。在《地球生命的黎明》（1875）中他這樣寫道：

我是加拿大曙動物……我發現自己生長在海底，不知道是什么時候來的。我成長和繁榮了許多年，沒有什么阻礙我的發展，豐富的食物總是向我漂來，我不用去尋找吃的。

曙動物是一個可塑性的發現。如果你是19世紀60年代的地質學家或博物學家，無論你是否相信曙動物的存在，將它提出來進行辯論是有益的事。如果曙動物是一個烏爾動物，那么它也許就是達爾文在化石記錄中注意到的第一個缺環?；蛘?，如果在曙動物和第二類古老化石之間只有千年的沉默，那么它可能是反對自然選擇的證據：也許生物保持相同或者多次出現，但從未進化。

懷疑論者聲稱，化石僅僅是一種“ 假晶”，似乎活著，但并非如此令道森非常失望的是，1866年達爾文對曙動物的辯論做出回應，贊同他的觀點。達爾文在《物種起源》第四版增加了這樣的話：“在閱讀了對這個非凡化石的描述之后，不可能對其有機性質產生任何懷疑?！?/p>

然而，曙動物懷疑論者聲稱化石僅僅是一種“假晶”，似乎活著，實際上并非如此。他們認為它是對生命的“模仿”，或者說是生命的“痕跡”，但其形式很規則，非有機，簡直不可思議。盡管看上去美麗而又復雜，曙動物之說的人氣依然在19世紀后半期漸漸式微。1888年，《美國地質學家》雜志向14位著名的地質學家進行了調查，請教他們加拿大曙動物是否具有有機物屬性， 結果只有3人肯定，其中包括道森（他給化石命了名）和查爾斯·杜利特爾·沃爾科特（1914年，他發現了伯吉斯頁巖中寒武紀生命大爆發的記錄）。有關曙動物的爭論開始銷聲匿跡。1894年，曙動物之謎被揭開：它只不過是一塊石頭，即石灰石上面點綴了一點蛇紋石。

在接下來的半個世紀里，很少有科學家研究前寒武紀化石。然后，到了1953年，威斯康星大學的礦物學家斯坦利·泰勒發現了燧石鐵。他在蘇必利爾湖釣鱒魚的時候，從船上看到一塊露出水面的厚厚的疊層石——巨大的微生物化石礁。在顯微鏡下，泰勒還發現了嵌入燧石中的微小的逼真的形體，用他的話說，就是“給前寒武紀變質的面紗打開了一個窗口”。泰勒及其同事、哈佛大學的古植物學家艾爾索·巴霍恩共同確定了19億年前的球狀體和細絲狀體已經化石化。1954年，他們在《科學》雜志上用簡短的文字宣布他們發現了前寒武紀藍細菌。1965年，古生物學家普萊斯頓·克勞德獨立驗證了泰勒和巴霍恩的發現，從而使人們不再擔心這些化石可能是非活力過程產生的。他宣布，這是“有記錄的最古老結構，與特定的生物體非常相似”。地質學界首次普遍認可了前寒武紀化石的存在，推出了現代地球生物學。

隨后就出現了前寒武紀熱。1965年，巴霍恩的研究生威廉·比爾·邵普夫在澳大利亞苦泉組發現了8億年前的微化石；20世紀70年代，巴霍恩及其另一位研究生安德魯·諾爾在澳大利亞發現了34億年前的化石細菌。突然之間，我們在腳下發現了保存完好的古代生命。如果說在19世紀生命的形式顯得復雜，那么到了20世紀70年代，科學家發現的最初的生命形式卻非常簡單?；械奈⑸锿乔蝮w或細絲，而氣泡、晶體和其他無機物工藝品很容易模仿，所以就潛伏著關于生命形態的一場爭論。

1979年，在西澳大利亞，前寒武紀古生物學研究組的成員開始對北極附近的瓦拉沃納化石群（現在很著名）進行實地考察。1980年，他們在《自然》雜志上發表了他們在那里發現的太古代疊層石——這是當時已知最古老的化石，年齡超過5億年。這篇文章最初計劃在《科學》雜志刊登，但在文章刊登之前的幾周，領銜地球生物學的斯坦利·奧拉米克聯系了前寒武紀古生物學研究組，說他在相同的巖石中發現了微小的有機纖維和球狀體。奧拉米克寫了好幾篇文章，宣布他發現的實際上是地球上最古老的已知生命標志。研究過北極地區化石并且在最初與其合著論文的羅杰·別克仍然對這些最古老的生命形式持懷疑態度，他從出版物中撤回了自己的名字。這樣一來，《科學》雜志便拒絕公布調查結果，后來才發表到其他雜志，隨后是別克一系列的詛咒和駁斥。他問：“物體形態復雜到什么程度，可以肯定此物體是微生物遺跡？”別克總結說：“在太古代巖石中從未發現過普遍公認的微化石。”

前寒武紀古生物學研究組的創始人邵普夫立即報告稱，瓦拉沃納化石具有可疑來源，提出了位點特異性和可復制性的問題。幸運的是，邵普夫自己恰好有瓦拉沃納化石。他聲稱，這些微化石確證，微生物生命不僅早在34.6億年前就已開始，而且是光合作用的產物，這比光合作用下微生物的下一個古老證據還要早整整10億年。在1986年至1993年的一系列論文中，邵普夫發表了他的證據。

長達數十年的爭議迫使地球生物學家重新思考他們如何評估古巖石中的生命形式

邵普夫的研究并沒能說服每個人，尤其是牛津大學的地質學家馬丁·布拉西爾。布拉西爾報告說，邵普夫1987年派他的研究生波妮·派克去了瓦拉沃納，他還發表了一篇聲明，證明在派克考察回來之前就已發現了最古老的微化石，當時她還沒有對采樣進行評估。派克在實驗室對樣品進行檢查之后，開始產生懷疑，選擇不參與進一步的研究，可是當時這已經是著名的邵普夫“頂點燧石”化石了。

邵普夫的頂點燧石化石成為尋找太古代生命的地球生物學家收集的每件疑似化石的典型。正如亨利·吉后來在《自然》雜志上描述的那樣：“很難說得清細菌（特別是化石細菌）和氣泡之間有什么區別?！崩聿榈隆た藸栐凇犊茖W》雜志中提出了一個類似的問題：這些是最早的生命跡象，還是形狀怪異的雜物？布拉西爾將這個問題視為一種推論：對研究早期生命的許多地理生物學家而言，如果看起來像藍細菌……那么最簡約的解釋就是它是一種藍細菌。然而，形態的相似性，或者拿古代的生命與現在的生命進行比較，已經遠遠不夠了——栩栩如生的疑似化石往往不是無機模式。

布拉西爾引用科學哲學家卡爾·波普爾的話，為確定化石中的生命提供了最保守的標準：“非常古老的/外來的微化石樣結構，除非可驗證它們屬于非生物體且可以推翻生物起源說，否則不應否認其生物起源。”不太保守的地球生物學家指出，這樣一個標準不僅會抹殺所有太古化石，而且如果應用到時間更近的化石中，也會使這些化石受到質疑。任何化石都不可能被完全證明曾經具有生命?？茖W研究取決于可證偽性，具有諷刺意味的是，布拉西爾的標準沒有堅持這個原則。作為一種回應，諾爾用更易處理的“諾爾假說”反駁了布拉西爾的“零假設”：良好的生命標志是難以通過無機過程完成的，但不是沒有這種可能性。

頂點燧石爭議為地球生物學家澄清了地球上早期生命的局限性，幫助他們形成了一系列嚴格的策略，用于證明化石可能印證地球上的早期生命或其他星球上的生命。雖然大多數地質學家現在已經否定了頂點微化石之說，但是在大衛·瓦西確認頂點燧石為“非微化石，僅僅是偶然排列的碳斑點”之后，駁斥頂點燧石說的論文仍然繼續發表。當頂點燧石從一個疑似化石淪為偽化石之后，幾十年的來源爭論迫使地球生物學家重新考慮他們應該如何評估古代巖石中的生命形式。

近幾年來，地球生物學家已經疏遠了被視為古代生命良好指標的形態學。在我們今天看來，很多古老的東西都很像我們期望看到的古代生命的樣子，其形式、復雜性或簡單性都是如此。如果“美”和“復雜”曾經成為生命的標記，而后來的地球生物學家尋找的是最簡單形式的早期生命，那么這是不夠的。在尋找古代生命時，任何東西都不能夠從視覺上區分其生命與非生命。簡而言之，尋找古代生命不再是尋找古代生命形式。

地球生物學家現在將注意力集中在生物學、地質學和礦物學背景上，例如巖石巖化的周圍古環境、石化過程中的退化跡象，以及分析生物化學和化學生物標記。借用地質學家約翰·埃勒的話來說，他們希望采用這樣的標準來更有效地區分“最古老的化石”與“僅僅是另一種巖石”。隨著地球生物學家與地球化學家、地質年代學家、地層學家和地磁學家越來越多的聯合，這種多樣化和嚴格的非形態學標準能夠得到協調運用。

困擾古微生物學研究的這個問題現在延伸到了天體生物學，即我們星球之外的生命。簡而言之，如果地球生物學家無法確定地球的生命是什么樣子的話，那么他們研究外星生命有什么機會呢？舉個具有諷刺意味的例子：邵普夫繼續擁護他的頂點燧石說，然而，在1996年8月美國航空航天局召開的新聞發布會上，他卻用自己的疑似化石觀點，使大家懷疑火星隕石ALH84001的生命起源特性。

當問及生命來自哪里時，我們是在問哪些品質定義了生命的輪廓

“我會告訴你這個星球上最古老的生命跡象，”他在新聞發布會上說，并且展示了1993年頂點燧石微化石的顯微圖像，“這些顯然都是細胞……這些顯然都是化石?！彼麍苑Q，地球生物學家開發的測試頂點燧石疑似化石的標準必須應用于所有的外星疑似化石，而這種隕石沒有通過他的測試。正如吉后來概括的那樣：“這是認為極端時空中存在生命這一問題的實質?！睙o論是在19世紀60年代，還是20世紀60年代或者今天，在這里或其他什么地方，化石生命和非生命都沒有明確的界線。

生命是什么或不是什么，它像什么或不像什么，什么時候出現或怎樣出現（或者它出現的頻率有多高），是研究人員始終要提的問題。無論是理論探討還是具體的學科研究，如自然選擇、古生物猜想，以及生命是否應理解為物質、過程或自組裝。當我們問及生命從哪里來，生命看起來像什么時，我們是在問哪些特質定義了生命的輪廓：模式或結構、簡單性或復雜性、形式或信息、新陳代謝或繁殖。這意味著生命是一個概念：它具有意義和表義的力量，它載有歷史的包袱、哲學的期望和科學的框架。但是，說生命需要辯論肯定不會打擊那些尋求生命并且有時偶然發現生命千姿百態的科學家。相反，這意味著我們的生命理論非常生動。

火星2020任務將收集新的巖石，并可能激起疑似外星生命化石說的再次爭論。我們還不知道這些化石會是什么奇妙的形式，但歷史證明許多火星人的說法都值得懷疑。