生命之初

莎拉·威廉姆斯

地理学家、生物学家携手讲述地球上最初细胞新故事。

地球最初的生命并没有留给我们什么足迹、咬痕或骨头。这些单细胞生命在地球某处一个小小的口袋中静静地蓬勃兴旺。几个世纪以来，科学家们一直试图描述最早的生命形式，他们依靠生物学证据，研究现代生命形式中有哪些普遍存在的特征，以推导出细胞的最原始成分。通过逆向作业，生物学家们就这类简单形式的生命可能于何时何地出现的问题提出各种设想，但这些设想目前为止最多也只是猜测，还无法证实。

来自另一领域的研究人员——地理学家们最近也开始加入到这种努力中。在生物学家的指导下，地理学家们开始研究地球上最古老的岩石，以期找到第一批细胞留下的一星半点的生命痕迹。地理学家们还将生物学家指向早期细胞有可能获得立足之地的不寻常环境条件。当两个研究领域开始合作，更可靠的生命形成期的景象正逐渐成形。

从定义上看，生命会改变周围环境，与其所在的环境交换能量和化学物质，因此，早期细胞存在的证据应该留下了不易磨灭的化学踪迹——如果没有可代谢生物的帮助，就不可能有聚集在一起的特定元素组合。如今，可能包含着地球最早生命留下的化学标记的材料非常罕见，绝大部分都深深地埋在地球内部，极偶然的火山爆发或山脉形成后才会被顶出地表。但地理学家们已下定决心，要找到这些石头并分析其中的生命迹象。

“地质记录像一块铺在老房子里的地毯，”科罗拉多大学博尔德分校的斯蒂芬·莫契斯（Stephen Mojzsis）说，“人们在它身上踩过几个世纪，它已经完全磨损了，你现在所能看到的，不过是几根彩色的线头。不过，如果你看得够仔细，就有可能顺着这根线，一根接一根地找到其他线拼接起来，然后弄明白这块地毯曾经是什么模样。”

找出早期生命存在的线头只是这项艰巨工作中的一部分挑战，地理学家还需要讨论这些线是在哪里纺成的。其中的一个观点根据新发现的深海热泉，认为生命从海洋深处开始。另一个设想则认为生命起源于充满蒸汽的水塘，地理学家说那里应该能够满足生物学家列出的生命存在的所需要素。

随着合作的结束，地理学家和生物学家互相为对方提供检查和帮助，以确定哪些设想是可能的。

“对生物学家来说，他们考虑这个问题的方式应该从真实的地球发展过程和条件来想，而不是他们能在试管中做什么，因为很显然，早期的地球上可没有试管。”斯坦福大学的地球物理学家诺姆·斯利普（Norm Sleep）说，“我认为我的职责就是向这些生物学家提供早期环境研究的购物清单。”

生命之石

45亿年前，婴儿期的地球还是一个高温且不稳定的地方。在它形成后不久，大约过了1.5亿年，它与一个体积稍小的行星相撞，这次撞击形成了月球，并剧烈地改变了地球的样貌。

“关于生命在这个星球上可能出现的时间存在一些不可逾越的挡板，”莫契斯说，“其中一块挡板是月亮的形成——这是一次重大的灾难性事件，地球被再度熔化，一切都被重设。这个时期不可能有任何生命存活下来。”不过，这一时期地球逐渐冷却，在经历了冥古宙后，它慢慢变成了适宜居住的地方。在太古宙开始前，即38亿年前左右，生命开始兴旺。

地理学家知道那时有生命存在，因为来自太古宙时期的岩石中含有高浓度的碳元素。在生命有机体形成之前，这个星球上大部分的碳都以大气形式存在。但是，光合有机体为产生能量的化学反应将碳聚集在一起，转变成这个星球上的固态碳形式。因此，高碳含量石头的存在意味着发生了光合作用。不仅是碳，带有“条状铁层”——红色条纹的富含铁沉积层的远古石头也是光合作用存在的证据；通过光合作用释放出的氧气让地表岩石中的铁氧化生锈。

生命的第一步 科学家们猜测，地球上的所有生命的起源发生在大碰撞之后的某个时间点，那次灾难性的撞击事件发生在距今约43.5亿年前，并因此形成了月球，可能还重塑了地球环境，为生命起源做好了铺垫。

“我们看见了38亿年前光合作用存在的这一证据，”斯坦福大学的地球化学家丹尼斯·伯德（Dennis Bird）说，“但光合作用是一种高级的化学反应，因此生物必须是在这之前的某个时间出现的。问题是你顺着地球历史越往前追溯，确凿的数据就越少。”

画面变得更加模糊，因为来自冥古宙的石头非常难找到。在过去40亿年中，地球上所有的石头和矿物质一直在不同的岩石层中循环。今天，地球上最古老的石头大部分都深深地埋在地幔层中，距地表数千米以下的黏质层，温度高达数千度。它就像这个星球上的沙拉碗，不同年代、不同地点的石头都在地幔中熔化在一起。过了几千年或是几亿年，有些石头随着火山或深海热泉返回到地表，而它们几乎很难再恢复到自己原本的样貌。

“基本上，我们所有的来自冥古宙的直接证据只有一些针尖大小的晶体。”斯利普说。

这些晶体大部分是锆石，这种持久的矿物质能够在地幔的高温骚乱中保持原本的形状，在西澳大利亚其他的更新一些的石头中找到名为锆石的古老矿石中保存着来自早期地球的印迹。

了藏于其中的古老锆石晶粒。通过研究固封在锆石结构中的氧和钛的类型和含量，科学家们能够了解这些晶体在什么样的温度下形成，以及它们是否与水有过接触。锆石甚至有助于澄清地球历史中大陆架形成的时间点。

早期残骸

即使地理学家们发现了来自冥古宙的古代岩石，从中寻找生命的迹象依然很棘手。根据早期细胞如何起作用以及在哪里起作用，推断它们有可能会留下特别的化学线索。斯利普和伯德最近对38亿多年前早期生命的地理学迹象可能会是什么样子进行了一项综合分析。现在他们希望其他地理学家密切关注这些迹象。

“岩石学家正在研究所有时期的地幔，”斯利普说，“但他们没有接受过像古生物学家一样的职业训练，所以可能扔掉一些他们觉得不重要的石头，而我们有可能从中找到重要线索。”

科学家们在最近发表于《地球与行星科学年报》的文章中提出，岩石的化学物质中有可能是远古生命关键线索的元素包括：硫、铁、铀、镍和氮。地理学家向生物学家咨询后得出了一个清单：何种类型的代谢可以让这类有机体生长，以及它们可能会如何繁殖并对周围环境做出回应。随后，地理学家用这些信息将有可能残留在岩石中的线索片段拼凑起来。据研究小组报道，这类迹象有可能在自冥古宙开始的岩石循环骚乱中保存下来。

不过，仅有这些元素也不一定就意味着生命的存在，不过，任何一种元素富集在一起或许就是个线索。

“我们为要寻找什么样的线索设定了条件，如果没人知道到底要寻找什么样的生命迹象，那根本无从找起。”来自德国杜塞尔多夫大学的进化生物学家比尔·马丁（Bill Martin）说，“我想，真正令人振奋的是，我们现在知道了要去找什么，我们有可能会找到远至冥古宙时代生命迹象的预期。”

至于去哪里找，科学家们已经有了好主意——西澳大利亚和格陵兰西南海岸线都是寻找超过30亿年岩石的胜地，还有地球上其他一些地方甚至有更为古老的物质靠近地表。一旦他们完成寻找岩石的漫长任务，研究者们就能将地球上生命起源的日期估算得再精确一些。可能的起源窗口跨度仍然会在1亿年左右。

不过，所获得的知识远不止于时间上的，岩石中残留的化学物质可能会揭示早期细胞是如何生存的，甚至会指明它们兴盛时期的环境条件。

战略现场

大多数生物学家都相信，早期生命起源于水中，因为今天所有的生命都依赖于某种形式的液体来完成分子之间的相互作用。不过，第一批细胞是出现在含盐的海洋中还是淡水湖中一直是一个争论不休的问题。地理学家所提供的帮助，是对早期地球环境进行分类并对其中起作用的化学物质加以描述。

2000年，一次偶然的发现为生命起源于海洋的观点增添了新证据。科学家们在一次深海考察中，在大西洋中部洋底发现了一种新型的深海热泉。对这些失落之城热泉的化学和地理学分析结果表明热泉有益于许多微观生命形式，看到这些结果，包括马丁在内的生物学家，都意识到这种地方或许正是早期生命起源之处。

绝大多数深海热泉是由洋底的火山热驱动并在周围海域中生产酸性环境，而失落之城热泉则由地幔岩石和海水之间的相互作用形成，在海水中产生碱性的环境。

这些热泉喷涌出甲烷和氢气，与海水发生反应形成石灰石柱、醋酸盐（早期生命的潜在能量来源）和烃类（生命的重要构造元件）。此外，石灰石上的孔还意味着化学物质可以在这里进行反应而不会顺水漂走。

“这些微型的小隔间所起的作用就是提供一种可能的方式，让这里的化学物质在物理形式上聚集浓缩，而不需要细胞膜的帮助。”马丁解释说，他曾与地理学家合作，提出生命起源于失落之城的假说。早期细胞可能在这些小隔间中以化学混合物为生。马丁说：“失落之城是本领域中过去十年内最令人激动的发现。”

水下有机物 2000年在大西洋底部发现了与失落之城相似的热泉，这里或许有着初期细胞形成所需要的合适化学环境。在热泉附近，水温达到100℃左右，海水呈碱性，有机物质丰富。

今天的失落之城热泉或许并不是40亿年前的生命起源之地，但那时相似的热泉应该会向早期海洋中喷涌出可维系生命的化学物质。这得由地理学家来决定地球初期这类热泉是否存在，并由生物学家来弄清楚生命是否能够在这样的环境中繁衍兴旺。

德国奥斯纳布吕克大学的阿芒·穆尔奇丹尼安（Armen Mulkidjanian）对于生命起源之地有不同的见解。他研究现代单细胞有机体中有哪些共有的特征，这是在进化生物学家中最受欢迎的话题。两个现存的主要领域——细菌和古细菌——被认为是从距今至少35亿年前的同一个祖先进化而来。

地球最初的细胞很有可能比这个共同祖先还要原始，研究它的特性或许能帮助科学家拼凑起一幅关于更古老细胞的图画。到目前为止，研究人员已经在细菌和古细菌之间找到了60个共同的基因。因此，科学家们推断，共同祖先（被称为Last Univeral Common Ancestor，LUCA，最后一个通用共同祖先）应该也有这些基因。

蒸汽水塘，比如今天在加州发现的温泉，可能提供了早期生命所需要的高钾环境。

穆尔奇丹尼安说：“我们决定分析这些通用基因所编码的每一种蛋白都需要哪些有机离子。”他的研究小组2012年初在《美国国家科学院院刊》上报告了分析结果。他们发现，与其他离子相比，这些通用蛋白需要更多的钾。研究人员还发现，钠阻断了某些细胞元素的功能，大部分与遗传物质向蛋白质的翻译过程相关。

“我们知道最初的细胞膜封闭性很差，细胞可以将蛋白质或核酸保留在膜内，但对钾无能为力。”穆尔奇丹尼安说。这也就是说，LUCA必须生活在钾离子含量高于钠离子的地方；否则钾会从膜中大量流出。

这时就需要生物学家向地理学家咨询了。熟悉远古地理学的研究人员认为，所有来自冥古宙岩石的证据均表明那时的海洋富含钠元素。不过，地理学家说，古代地球上有一个地方或许有着丰富的钾元素：火山系统蒸汽所形成的水塘，而冥古宙时期的地球，到处都是火山。

当火山喷出的岩浆加热岩石，水汽被蒸发，同时带走岩石中某些元素而留下另一些。产生的蒸汽重新凝聚成液态水，形成的淡水塘不仅富含钾，还富含锌和磷——它们很可能也是早期细胞活动中所需要的物质。穆尔奇丹尼安研究小组提出的LUCA细胞需求与地理学家对早期地热环境的描述相吻合。穆尔奇丹尼安说：“地热知识真实填补了我们构建的生物学故事中的空白。”

关于生命从何处起源的观点，无论是海洋还是淡水塘，或是其他什么完全不同的地方，都仍然只是一些设想。关于生命何时起源以及它们长什么模样的观点也是同样的境况。不过，随着地理学家和生物学家继续互相学习，他们正在不断地引入新证据来支持现有的假设，并有可能产生新的构想。

对地理学家而言，接下去的挑战是找到并分析更多的古代岩石，来充实冥古宙时代地球的画面细节。对生物学家而言，接下来的任务是将他们对于早期细胞的理论与地理学家对早期地球的环境描述结合起来。

马丁说：“我们正在开始缩小微生物学与地球化学之间的距离。”

随着新锆石的发现和有利于化学物质反应的进一步环境探索，生命如何起源的故事将会得出一个达成共识的时间、地点，以及最终会得出这其中的细节。 Yj1GB0zZDuoARt6FaeWwJnEd5Z6Tg+1xFLLZ3dF5l3qhQZwDvVQOGkTf7GMvnXLm