地球上诞生的第一个生命是单细胞生物，它们既没有留下脚印，也没有留下咬痕，更没有留下骨头。它们“蜗居”在地球的某一个偏僻的小角落里繁衍生息。科学家们绞尽脑汁地想刻画出这些单细胞生物的模样，但是几个世纪过去了，还是依然只能停留在对生物学证据的依赖上面。他们希望通过研究古生物和现代生物之间的共性，推断原始细胞中的组成成分。而生物学家们更是“脑洞大开”，他们通过逆向推理，已经提出了一系列有关单细胞生物形成时间和地点的假设。然而，到目前为止，这些都只是“异想天开”，并没有办法证明。

不过好消息是，最近地质学家们也加入了研究的行列，助生物学家们一臂之力。借助生物学家们的指引，地质学家们开始研究地球上年代最古老的岩石，希望借此找到第一批细胞生物留下来的痕迹。同时，借助地质学家们的指引，生物学家们也开始研究远古时期“稀奇古怪”的环境，寻找早期细胞生物的宿营地。地理界和生物界的强强联手，使得古代生命形成时期的场景逐渐清晰起来。

根据教科书上的定义，生物体是可以改变周围环境的，它们与自然界进行能量交换与物质交换。因此早期的单细胞生物一定也会留下一些永久的化学印记，证明它们在这个世界上存在过。因为这些化学元素特定的化合形式，只有通过生物体的新陈代谢才能形成。但是如今，包含这些重要化学线索的物质少之又少，它们大部分都被埋藏在深深的地下，仿佛在向科学家们表示：“能奈我何？”只有当火山喷发或者山脉隆起的时候，它们才有可能“重见天日”，当然这个概率和中彩票无异。不过，这依然阻挡不了地质学家们的雄心壮志，他们不仅决心找到这些携带生命信息的岩石，还要认真地研究它们。

美国科罗拉多大学博尔德分校的斯蒂芬·斯蒂芬（Stephen Mojzsis）形象地表示：“这些地质学记录就像是铺在老房子里的地毯。在长达几个世纪的时间里，人们在这‘地毯’上面肆意地践踏，导致它已经完全‘起毛’了，只剩下丝丝缕缕的彩色‘线团’。但是如果你观察得足够仔细，还是能在这些为数不多的 ‘线团’中发现端倪，你可以从中看到‘地毯’原来的样子。”

事实上，这项工作远远不止这些。寻找早期生命留下的这些“线团”只是这项挑战中的冰山一角。地质学家们还要研究这些“线团”是在哪里被“纺织”成型的。关于这个问题，目前地质学家们分成了两支研究小分队。其中一队将研究的重点放在深海区域，因为他们在水下发现了一种新型的排风孔。另外一队则将目光放在了蒸汽缭绕的池塘，因为他们的盟友生物学家认为，这里可以满足生命所需的一切必要条件。

在这段伟大的征程中，地质学家们和生物学家们携手并肩，大步前行。他们互相监督，彼此检查，积极寻找一切微小的可能。

“我们现在急需一批能够从地球演变与地质状况的角度上考虑问题的生物学家，而不是拘泥于用试管做实验，因为很显然，在早期地球上根本不存在试管。” 斯坦福大学的地球物理学家诺姆·斯里普（Norm Sleep）表示：“我认为我应该为这些生物学家们提供一份早期环境的详单。”

岩之生命

45亿年前左右，地球“宝宝”诞生。那时的地球像一个“火球”，炽热无比，极不稳定。1.5亿年后，成型不久的地球遭受了一次小行星的撞击。这一撞使地球发生了翻天覆地的变化，也“撞”出了月球。

“每一次可能孕育出生命的地球事件，都被规规整整地列了出来，” 斯蒂芬表示，“这其中就包括月球诞生记。这次事件让地球重新变成熔融状态，而且让整个地球都从头开始，你可以想象这是一场怎样的灾难。任何生命都不可能在这场灾难中活下来。”不过，黑夜褪去，光明终究会来临。随着地球在冥古宙时期渐渐冷却，它慢慢变得适宜居住。到了38亿年前的太古宙初期，已经有生命开始繁衍生息。

你可能想问，为什么地质学家们知道这个时候就有生命了呢？这是因为他们发现，太古宇地层中的碳含量非常高。在生命体出现之前，地球上的碳大部分都存在于大气中。但是这一切都因光合作用而改变。光合作用是可以为生命体提供能量的一系列化学反应，这个过程中会生成固体形式的碳，它们在地表上逐渐富集。因此，这些富含碳的岩石意味着光合作用的出现。当然，除了碳，还有更多其他的元素。科学家们发现，古代岩石中含有红色的“带状铁层”，这也暗示着光合作用。因为只有光合作用才会释放出氧气，之后氧气将铁氧化成红色的高价铁（详见Science News 2009年6月20日第24页）。

美国斯坦福大学的地球化学家丹尼斯·伯德（Dennis Bird）表示：“这些光合作用产生的时间大约是在38亿年前。不过，光合作用是一种十分高级的化学反应，并不是与生俱来的。生命体需要一段时间才能把它‘发明’出来。而这段时间具体是多少就不好表示了，因为历史越久远，数据量就越少。”

第一个脚印 科学家们猜测，43.5亿年前的一场小行星撞击地球的大灾难，使月球形成，也使地球环境发生了翻天覆地的变化，变得更加适宜生物生存。可以说这次灾难事件是地球一切生命的根源。

古老的锆石矿物中含有关于早期地球环境的线索。

研究人员的“获得感”变得越来越少，因为想要获得一块冥古宙的岩石比登天还难。在长达40亿年的历史长河中，地球上所有地层的岩石和矿物都在不断地循环，一刻都没有停止过。如今，地球上最古老的岩石基本都埋在地幔深处，深度至少在几千米以上。此外，正所谓“祸不单行”，这个层位的岩石不仅非常黏稠，而且温度高达数千摄氏度。地幔就像一个大熔炉，将不同年代不同区域的岩石“混”在一起“搅拌”。当这些岩石有朝一日重回地表的时候，它们已经变得“面目全非”了。

斯里普表示：“到目前为止，我们获得的有关冥古宙的直接证据只是一些矿物晶体，它们的大小刚好适合放在顶针的上面。”

这些矿物晶体大部分是锆石。锆石的物理化学性质十分稳定，即使在地幔“大熔炉”中也完好无损。此外，还有一些锆石像粒粒稻谷，藏在澳大利亚西部的一些更年轻的岩石之中（详见Science News 1983年6月18日）。锆石晶体结构中含有氧元素和钛元素，通过研究氧和钛的类型和含量，可以计算出锆石晶体形成时的温度，而且还能知道它是否和水发生过作用。不仅如此，锆石还可以作为大陆形成的相关证据。

残缺的历史

即使地质学家们发现了冥古宙时期的岩石，也只相当于杯水车薪，因为接下来的问题更棘手。他们要在这些岩石中寻找生命的信号，但殊不知，不同时期和不同地区的细胞，它们的化学成分可谓千差万别。斯里普和伯德理清头绪，综合分析，38亿年前的生命体应该会留下什么样的地质学信息？现在，他们开始向其他的地质学家们请求外援，希望地质学家们一同寻找这些化学信息。

斯里普表示：“虽然岩石学家们一辈子都在研究地幔，但是他们没有接受过古生物学家那样的培训，所以有时候，在我们看来弥足珍贵的岩石被他们随手一扔就扔掉了。”

科学家们在最近的一期的《地球与行星科学年度综述》中提出，岩石中的一些化学物质，可能是古生物留下来的重要线索，这些化学物质包括：硫酸盐、铁、铀、镍和氮。当然，这份名单也是地质学家和生物学家共同合作的结晶。首先，他们需要探讨很多重要问题，比如：这些生物体如何新陈代谢，它们如何繁殖，以及它们如何对周围环境进行反馈调节等。之后，地质学家们根据这些信息，把专家们认为有可能是古生物体的痕迹东拼西凑地整合到一起。研究团队在报告中指出，这些重要的化学信号，虽然历经了自冥古宙以来漫长而又剧烈的岩石圈大循环，但它们完好无损，历久弥新。

虽然这些元素的存在并不意味着鲜活的生命，但是只要这其中的任何一种元素，它们一团团一簇簇地聚合在一起，就可以成为探寻古生物的线索。

“我们根据这些生命信息的提示，专注于寻找我们想要的东西。”德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的进化生物学家比尔·马丁（Bill Martin）表示：“如果我们不知道寻找什么，那就真的完蛋了。所以我感到十分庆幸的一点是，我们的目标很明确，知道我们要找什么，而且我们对于未来充满期待，这些生命信号一定能让我们重回冥古宙时期。”

科学家们已经知道去哪里寻找这些生命信号了，一是澳大利亚的西部，二是格陵兰岛的西南海岸。这两个地方因盛产30亿年前的岩石而闻名于世。当然，还有其他的地方也有这样的“古董”。“寻宝”的过程漫长而艰辛，但是一旦找到它们，科学家们就可以很轻松地确定生命形成的时间。目前，生命形成的“窗口期”依然长达近十亿年。

时间跑得再快，也跑不过人类认知前进的速度。人类借助不断前行的认知能力，回顾早已远去的历史。通过研究这些岩石中的化学物质，科学家们将逐步了解早期细胞的生存方式，以及它们当时赖以生存的环境。

下一盘大棋

大多数的生物学家都认为早期的生命是水生的，因为在当下，所有的生物都离不开水，所有分子都需要在特定的液态环境下才能进行相互作用。但是，是否早期的细胞也生活在水中——咸咸的海洋抑或是淡淡的湖泊，这些都还没有得出定论，科学家们仍为此争得“脸红脖子粗”。不过关于这个问题，地质学家们又可以发挥他们的优势了，他们回溯了早期地球的自然环境状况，并且探究了当时地球上的一系列化学过程。

2000年，一个偶然的机会让科学家们更加相信生命起源于水中。这一年，科学家们组成远征队伍奔赴大西洋进行深海探查，在大西洋中部发现了一种新型排气孔。它们位于深深的洋底，就像迷失的城市，不为人知，与世隔绝。科学家们对这些排气孔的化学成分和地质状况进行了分析，发现它们比较适合微生物生存。因此，包括马丁在内的一些生物学家认为，这类地点应该是早期生命最主要的聚居地。

由于大部分的深海排气孔都是靠洋底火山的热量驱动，所以它们排出的气体会使周围的海水呈现酸性。但是这些坐落于“迷失城市”之中的排气孔，是靠地幔岩石和海水的相互作用驱动的，因此它们会创造出一种非常难得的碱性环境。这对于生命来说，无疑是“喜大普奔”。

这些排气孔会喷出甲烷和氢气到海水中，然后它们相互作用形成烟囱状的石灰岩、醋酸盐（早期生命的一种潜在能量来源）和碳氢化合物（生命的重要基石）。除此之外，“石灰岩烟囱”上还有一些细孔，这刚好可以有效防止化学物质被水冲走，并使它们在这些“庇护所”里发生化学反应。

马丁目前与地质学家们进行合作，也是“迷失城市”派的成员之一。他表示：“‘石灰岩烟囱’上的这些微型小‘包间’相当于细胞膜的作用，不过它的方式显然更直接，直接将各种化学物质“强拉硬拽”在一起，阻止它们出去。”而殊不知，这正好应验了“鹬蚌相争，渔翁得利”，这些化学物质可能被早期细胞视为美食，它们可以在“包间”内毫不费力地享用它们。马丁感叹道：“‘迷失城市’的发现是这一领域过去几十年以来最令人激动的事了。”

水下有机物 2000年，科学家们在大西洋洋底发现了犹如“迷失城市”一般的排气孔。类似这样的排气孔可能恰恰包含早期细胞所需的各种化学物质。排气孔附近的海水温度高达100摄氏度，并且呈碱性，富含有机物。

虽然如今位于“迷失城市”的这些排气孔可能不会超过40亿年的历史，但是一定还有一些类似“迷失城市”的地方，那里的排气孔会向原始海洋中排放足以维持生命的化学物质。在这项研究中，地质学家们负责判断排气孔是否存在，而生物学家们负责判断环境是否适宜生存。

然而，德国奥斯纳布吕克大学的阿曼·穆尔基德亚尼安（Armen Mulkidjanian）却有不同意见。他正在研究现代单细胞生物的共同点，这是很多进化生物学家都津津乐道的一个话题。他们认为，让研究人员“头疼不已”的这类生物体应该归属于两大类，一是细菌域，二是古生菌域。而细菌域生物和古生菌域生物在35亿年前拥有共同的祖先。

类似于如今美国加利福尼亚州的热溪，这类蒸汽缭绕的湖泊可能为地球早期生命提供了适宜生活的富钾环境。

当然，地球上的第一批细胞生物可能会比这个所谓的“祖先”年代更久远，但是只有在对“祖先”的研究基础上，才可能绘制出比它更古老的细胞的模样。到目前为止，研究人员已经发现，细菌域生物和古生菌域生物有60对基因是相同的。因此他们推断，这位“祖先”也应该含有这60对基因。科学家们将这位“祖先”简称为LUCA（Last Universal Common Ancestor），意为“地球上最后一个共同的祖先”。

穆尔基德亚尼安表示：“这些基因会编码出原始生物的蛋白质，而我们目前是要研究出每一种蛋白质各需要什么类型的有机离子。”他的团队2012年年初在《美国国家科学院学报》上发表了一篇文章，指出这些蛋白质对钾元素的需求量特别高，超出其他任何一种元素。同时，他们还表示，钠元素会抑制很多细胞组分的活性，以至于会对基因编码蛋白质的过程产生影响。

穆尔基德亚尼安介绍道：“早期的细胞膜通透性非常强，虽然能留住蛋白质和核苷酸，但是却留不住钾元素。”这就意味着这位“祖先”必须生活在钾元素多于钠元素的地方，才能维持生命。这其实是它必须要做的利弊权衡。

所以，现在又到了生物学家向地质学家“虚心请教”的时候了。什么地方的钾元素多于钠元素呢？地质学家们表示，他们对冥古宙的岩石进行了研究，所有的证据都表明，原始海洋中钠的浓度非常高。不过话锋一转，有一个地方却是例外，钾元素将钠元素反超，这便是由火山蒸汽形成的湖泊。而冥古宙这样的火山可以说是随处可见。

当岩浆将周围的岩石加热时，岩石中的水分便会蒸发。这时，它们往往会“拖家带口”，携带着一些特定的元素一起“逃逸”，但却将另外的元素留在原地。当这些蒸汽凝结成水重回地表的时候，淡水湖泊便形成了。这些湖泊可谓高营养，不仅富含钾，还富含锌和磷酸盐，它们都是早期细胞新陈代谢必需的最基本物质。这是生物学家和地质学家的又一个完美结晶。因为这颗“祖先”细胞所需的物质刚好在地质学家们描述的地热场中可以找到，正如穆尔基德亚尼安所说：“这些地质学领域知识刚好合我们的胃口。”

关于生命的起源，究竟发生在海水、湖泊，还是其他地方，终究还只是猜测，所能获得的证据依然少之又少。同样，对于早期生命的模样以及它出现的时间，也没有定论。但是随着地质学家和生物学家继续“强强联手”，一定会找到更多的新证据，让目前的研究变得焕然一新。

对于地质学家来说，未来的挑战在于寻找更多的古代岩石，并且基于对它们的综合分析，描绘出一幅冥古宙更详尽更完美的画卷。对于生物学家来说，未来的任务是将早期细胞的一系列理论与地质学家们描绘的这幅画卷结合起来，达到新的高度。

马丁表示：“我们立志要让微生物学与地球化学走得更近，然后携手并肩，走得更远。”

随着不断有新的锆石“重见天日”，以及从化学角度上对宜居环境的探究步步深入，这个有关生命起源的故事将会逐渐完善，最终取得一个完美的结局。 SEcBc3ea/0FDdPabBSXfq8UwdQJNV5eMy8yf+SQvlRor7MtLarIXWMw+bHKpSsfC