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生命的 “黑匣子” 歲月

原創
2020-03-06  大科技雜...

整整數十億年,地球生命幾乎沒留下任何痕跡,但經過科學家巧妙“偵查”,這段丟失的歷史如今正在浮現。

正像一個人成年后通常回憶不起六歲之前的事情,生命早期的歷史對于我們來說也幾乎是一片空白。大多數關于地球生命的故事是從5億多年前起頭的。那時,發生了一場叫“寒武紀大爆發”的事件,幾乎所有現存動植物的祖先一下子都如變戲法般地涌現出來。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……但它僅占生命歷史的八分之一,其余時間對于我們仍然是個“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,聰明的研究人員發現了揭開生命“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有復雜的膜結構。

目前有爭議的化石證據,則可追溯至41億年前。這個化石證據之所以有爭議,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個現存物種的基因數據,結合化石記錄,計算出進化的速度,使他們能夠估計生命史上一些關鍵事件是何時發生的。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得更早——非常接近地球歷史的開端。這暗示著生命的出現可能比人們想象的要容易得多。

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比較復雜,但仍缺少一些關鍵的功能,比如它不具備制造氨基酸(蛋白質的主要成分)的機制,因此氨基酸很可能是從環境中攝取的。

在接下去的10億年里,生命在分化。根據皮薩尼的研究,第一次大分化發生在至少34億年前。它產生了兩種微生物——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,許多古細菌已經進化出在極端條件下(如高溫)生存的本領。古細菌養活自己的方式也不同尋常,例如一種產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,這種產甲烷菌在地球生命史上扮演了重要角色。

科學家計算出,產甲烷菌出現在大約35億年前。它出現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,研究人員發現里面確實含有甲烷。此外,這也符合當時正在發生的全球性氣候變化。大氣模型表明,那時地球上有液態水,但問題是,那時太陽輻射比現在要弱,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系統的其余部分。

氧氣的出現對全球產生影響

產甲烷細菌的出現是革命性的,但這種代謝方式,食物轉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物質中,因為它很容易與不同的元素發生反應。但這一切在24億年前隨著一個“大氧化事件”而改變了。驅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。盡管如此,氧氣還是引發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”是在空氣中出現氧氣后不久開始的,一直持續到21億年前。首要原因是大氣中的氧氣與產甲烷菌產生的甲烷發生反應,削弱了甲烷的溫室效應。第二個原因是第一塊大陸的出現。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(如石灰巖的形成)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致了第一次生命的大規模滅絕。

真核生物的出現

在這場令人毛骨悚然的劇變之后,出現了一段平靜的時期——或者不過是我們自己如此認為。傳統的觀點認為,隨著氣候的穩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生的時期。

第一次大飛躍是出現了一種被稱為“真核生物”的新生物體。這發生在18億年到12億年前,占據了“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、更復雜。它們有復雜的內膜;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。

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。關于這件事是如何發生的,目前還存在爭議。通過研究最近發現的一組被稱為“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,復雜生命的出現似乎只發生過一次,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歷了一次飛躍,成為多細胞生物。那么,那是什么時候發生的呢?直到1950年代,已知的最古老的多細胞生物化石證據都來自始于5.41億年前的寒武紀。后來,一群英國中學生發現了一塊化石,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,我國的一支地質考察隊在巖石上發現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。后續研究發現,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,這似乎又表明,海水中氧含量的增加是促使它們變大、變復雜的原因。

從發現于我國的15.6億年前的這種多細胞生物進化到英國中學生發現的那種古怪多細胞生物,時間上花去了近10億年,而形態還是那么原始!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構才能變得復雜;另一種可能是期間經歷了第二個雪球地球時期(發生在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35億年發生的一系列創新,我們今天所知道的生命將不復存在。

狂轟濫炸何時了?

在太陽系中,小行星帶以內的區域叫內太陽系。處在內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,內太陽系內的行星曾在相當長一段時間內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。只是這陣大規模的狂轟濫炸持續了多久,何時結束的呢?

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境是不適宜生命生存的,所以地球生命的歷史,應該在此之后。

那么,這一時期是什么時候結束的呢?

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

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