生命的“黑匣子”歲月

海生

正像一個(gè)人成年后通常回憶不起六歲之前的事情，生命早期的歷史對(duì)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(shí)，發(fā)生了一場(chǎng)叫“寒武紀(jì)大爆發(fā)”的事件，幾乎所有現(xiàn)存動(dòng)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(gè)為人熟悉的故事：魚類、兩棲類、昆蟲、陸生植物繁衍進(jìn)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(shí)間對(duì)于我們?nèi)匀皇莻€(gè)“黑匣子”。

解開“黑匣子”之謎的困難在于，寒武紀(jì)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(tái)。

生命是什么時(shí)候開始的？確切時(shí)間并不清楚。目前無(wú)可爭(zhēng)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?yàn)樗鼈兊募?xì)胞已經(jīng)有復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)。

目前有爭(zhēng)議的化石證據(jù)，則可追溯至41億年前。這個(gè)化石證據(jù)之所以有爭(zhēng)議，部分原因是人們過去普遍認(rèn)為，地球在40～38億年前被小行星撞擊過，使得生命無(wú)法宜居——然而，這個(gè)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(shí)間的密集轟炸。這樣的撞擊盡管可能會(huì)給生命制造點(diǎn)麻煩，但不會(huì)把它們徹底抹去。

這有助于解釋為什么2018年8月當(dāng)一項(xiàng)新的計(jì)算將生命起源追溯至38億年前時(shí)，人們幾乎沒有反對(duì)。英國(guó)的戴維德·皮薩尼和他的同事收集了102個(gè)現(xiàn)存物種的基因數(shù)據(jù)，結(jié)合化石記錄，計(jì)算出進(jìn)化的速度，使他們能夠估計(jì)生命史上一些關(guān)鍵事件是何時(shí)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(shí)間。他們計(jì)算出，LUCA至少生活在39億年前;而最早的有機(jī)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(dòng)物化石證據(jù)，這種動(dòng)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(duì)于LUCA的情況也已略有所知。LUCA可能擁有355個(gè)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(jī)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(jī)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(xì)菌和古細(xì)菌。它們盡管在顯微鏡下看起來幾乎無(wú)法分辨，但具有明顯不同的特征。特別是，許多古細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出在極端條件下（如高溫）生存的本領(lǐng)。古細(xì)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(huì)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(jì)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(shí)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(shí)含有甲烷。此外，這也符合當(dāng)時(shí)正在發(fā)生的全球性氣候變化。大氣模型表明，那時(shí)地球上有液態(tài)水，但問題是，那時(shí)太陽(yáng)輻射比現(xiàn)在要弱，單靠太陽(yáng)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?yàn)榧淄槭且环N強(qiáng)大的溫室氣體。

因此，看起來古細(xì)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(duì)全球產(chǎn)生影響

產(chǎn)甲烷細(xì)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(xì)菌進(jìn)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(xì)菌開始使用更高效的東西：氧氣。但只有當(dāng)空氣中有氧氣時(shí)，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?yàn)樗苋菀着c不同的元素發(fā)生反應(yīng)。但這一切在24億年前隨著一個(gè)“大氧化事件”而改變了。驅(qū)動(dòng)力來自藍(lán)藻的繁盛。藍(lán)藻利用太陽(yáng)光的能量進(jìn)行光合作用。事實(shí)上，其他細(xì)菌在大約35億年前就已進(jìn)化出光合作用的能力。但藍(lán)藻是第一個(gè)利用太陽(yáng)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(duì)全球產(chǎn)生影響的生物。

這個(gè)時(shí)候空氣中有氧氣了，但水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)重的冰期，以至整個(gè)（或幾乎整個(gè)）地球都被凍住。第一個(gè)“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(gè)原因是第一塊大陸的出現(xiàn)。陸地比海洋反射更多的太陽(yáng)光，能截留下來的太陽(yáng)熱量就減少了。最后一個(gè)原因是，陸地上巖石的風(fēng)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?yàn)檫@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(huì)吸收水分和二氧化碳變成熟石灰。

我們傾向于認(rèn)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(duì)厭氧菌也是有毒的，因此它可能對(duì)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(chǎng)令人毛骨悚然的劇變之后，出現(xiàn)了一段平靜的時(shí)期——或者不過是我們自己如此認(rèn)為。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著氣候的穩(wěn)定和氧氣含量的降低，進(jìn)化停滯了。生命的歷史被認(rèn)為是如此沉悶，以至于18億到8億年前這段時(shí)期被稱為“無(wú)聊的10億年”。事實(shí)上，這樣說不對(duì)。這是生命最大的兩次飛躍發(fā)生的時(shí)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(wú)聊的10億年”中大部分時(shí)間。真核細(xì)胞比以前的任何細(xì)胞都更大、更復(fù)雜。它們有復(fù)雜的內(nèi)膜;它們的DNA儲(chǔ)存在一個(gè)被稱為“細(xì)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(xì)胞才能形成復(fù)雜的多細(xì)胞生物，如植物、昆蟲和人類，而不論之前的細(xì)菌還是古細(xì)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(xì)菌是最接近真核細(xì)胞的單細(xì)胞生物。

真核生物不是通過競(jìng)爭(zhēng)（生存競(jìng)爭(zhēng)是進(jìn)化的推動(dòng)力）而是通過合作產(chǎn)生的。在某一時(shí)間點(diǎn)，一個(gè)古細(xì)菌吞下了一個(gè)細(xì)菌，然后兩種生物一起生活，細(xì)菌變作第一個(gè)線粒體。關(guān)于這件事是如何發(fā)生的，目前還存在爭(zhēng)議。通過研究最近發(fā)現(xiàn)的一組被稱為“阿斯加德古細(xì)菌”的有機(jī)體，我們可能很快就會(huì)解開這個(gè)謎。然而，復(fù)雜生命的出現(xiàn)似乎只發(fā)生過一次，因?yàn)榈厍蛏纤械纳紦碛幸粋€(gè)共同的祖先，這表明，進(jìn)化出復(fù)雜生命是一個(gè)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(xì)胞生物的家園，但不一定能進(jìn)化出復(fù)雜生命。

多細(xì)胞生物進(jìn)化緩慢

隨著真核生物的進(jìn)化，地球上的生命可能又經(jīng)歷了一次飛躍，成為多細(xì)胞生物。那么，那是什么時(shí)候發(fā)生的呢？直到1950年代，已知的最古老的多細(xì)胞生物化石證據(jù)都來自始于5.41億年前的寒武紀(jì)。后來，一群英國(guó)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(xì)胞生物。這種多細(xì)胞生物的性質(zhì)一直是個(gè)謎。

然而，即使這種古怪的多細(xì)胞生物也不是第一個(gè)多細(xì)胞生物。2016年，我國(guó)的一支地質(zhì)考察隊(duì)在巖石上發(fā)現(xiàn)了一組矩形和舌形的斑塊，最長(zhǎng)達(dá)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(xì)胞排列十分緊致，這強(qiáng)烈暗示它們屬于同一個(gè)多細(xì)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(xì)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(guó)的15.6億年前的這種多細(xì)胞生物進(jìn)化到英國(guó)中學(xué)生發(fā)現(xiàn)的那種古怪多細(xì)胞生物，時(shí)間上花去了近10億年，而形態(tài)還是那么原始！多細(xì)胞生物在最初的10億年里為什么進(jìn)化得如此緩慢呢？

一種可能是，必須等氧氣含量進(jìn)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(gè)雪球地球時(shí)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(jìn)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(shí)。雖然謎團(tuán)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(jìn)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(shí)了？

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

這個(gè)看法倒也合情合理。因?yàn)樘?yáng)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(gè)去處，所以不是落到太陽(yáng)，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(shí)結(jié)束的呢？

搞清這一點(diǎn)對(duì)于了解地球生命的起源尤為重要，因?yàn)楹茱@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(shí)期是什么時(shí)候結(jié)束的呢？

過去的說法是，這場(chǎng)“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(yáng)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(yáng)更冷

按天文學(xué)家的看法，像太陽(yáng)這樣的恒星，在最初階段屬于那種越燒越亮的天體。這是因?yàn)樘?yáng)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(yáng)的中心部位，因?yàn)槟莾旱臏囟茸罡撸院司圩冏钕劝l(fā)生于那里。等到中心的氫燃燒殆盡，核聚變才會(huì)漸漸移向靠近太陽(yáng)表面的區(qū)域。考慮到太陽(yáng)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(huì)使太陽(yáng)越來越熱。據(jù)科學(xué)家推算，早期的太陽(yáng)每秒釋放出的能量只及現(xiàn)在的70%。所以那時(shí)地球平均氣溫比現(xiàn)在要低25℃。

小貼士

疊層石

由單細(xì)胞生物在生命活動(dòng)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(xì)菌

阿斯加德古細(xì)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(xì)菌是跟真核生物最接近的單細(xì)胞生物，它們雖然沒有細(xì)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