早期生命迹象

梅根·罗森

新发现有助于将微生物的起源向前推至35亿多年前。

澳大利亚西部的皮尔巴拉地区从来就不是以宜居而闻名。小溪早已干涸，裸露的河床在满是沙石的红土地上刻出一条条小路，刀锋一般尖利的草覆盖着低矮的土丘。在这个创下高温和连续数月几乎没有降雨纪录的地方，有生命力顽强的动植物一息尚存。

不过，皮尔巴拉曾经或许是这个星球上最早的复杂生命形式的主要栖息地。在一片已有35亿年历史的石头堆中，地球生物学家诺拉·诺夫克（Nora Noffke）找到了一些小小的精细图案，它们有可能是微生物群落的印迹。这些图案看起来就像是今天海岸线附近潮湿的微生物垫所留下的印迹。诺夫克在澳大利亚发现的这些标志物或许是地球上复杂生命的最早证据。

然而，其他一些科学家们并不是很确定这一点。早期生命迹象很难解释，也很容易引发争议。每一次，每一个奇怪的结构、化学痕迹或显微可见的微型化石，这些据称为最早生命遗迹的证据都遭遇过质疑。不过，有了诺夫克发现的图案，这些证据汇总在一起或许能够拼凑起一个科学家们能够基本接受的完整故事：微生物生态系统很有可能存在于大约35亿年前。

如果诺夫克发现的图案真的是由细胞留下的，这种精致的纹理或许可以提供一种新的方法来搜寻其他星球上的微生物，并且，它们或许还能帮助科学家们更好地理解地球上的生命进化速度有多快。

创世之初

据我们现有的知识，当地球在约45亿年前最初形成时，还没有出现生命的希望。小行星撞击地球，留下的是熔岩形成的海洋，很有可能还扫清了任何可能的生命迹象。科学家们普遍认为，在与地球大小相似的星体猛地撞上地球产生月亮之后，最早的细胞形式才出现。

据科学家们推理，由于需要时间进化出复杂生命，因此于35亿年前在微生物生态系统出现之前，最初出现的细胞必须很好地生存下去。如果真是这样，诺夫克的发现和其他的一些证据表明，在地球生命进化时间表上，早期细胞的起源与这个星球在骚乱中形成的时间非常接近。“每一次我们发现这样的证据，它就告诉我说，这个星球上生命出现的过程相当之快。”来自索科罗的新墨西哥工学院的地球微生物学家佩内洛普·波士顿（Penelope Boston）说，“而且非常神奇。”

早期生命迹象可能很难确定，“如果你发现了一块巨大的完整恐龙骨骼，事情就简单多了，”波士顿说，“但大多数化石都不是这种情况。”

最古老的恐龙化石的年代可推算至约2.3亿年前。不过与诺夫克发现的图形结构相比，那些恐龙骨头就太年轻了。时光在微型古化石上留下它的痕迹：历史被印刻在石头上，数十亿年来忍受着地球地质的变迁。高温和高压的环境可能持续了很长时间，细胞残骸被风化到无法辨认，留下的往往只有显微可见的证据，令人遐想的空间之大，不拒绝任何解释的可能。

科学家们在不同的岩石层中找到这些极小的线索。来自加利福尼亚州帕萨迪纳的美国国家航空和宇宙航行局（NASA）喷射推进实验室的天体生物学家阿比盖尔·艾尔伍德（Abigail Allwood）说：“让人想起多层蛋糕。”最古老的岩石层躺在最底部，年轻的一些在上层。地质学家通过化学方法测定每层岩石的年代，嵌于其中的化石即属于同一年代。

在搜寻早期生命迹象时，科学家们梳理古老岩石层，试图找出有意义的结构、化学物质和化石。诺夫克有时不得不蹲下身子，靠近岩石层，借助放大镜来观察是否具有特殊规则雕刻图案。不过，她相信古老岩石上的小小印迹与今天的微生物垫的纹理相吻合。

今天的微生物垫位于沙滩海岸线上，渗出的黏液将各种微粒黏合到一起。当海浪轻拍到这些垫上，微生物中包裹着的沙砾会发生一些改变，黏液将它们重新聚合到合适的位置，留下可识别的印痕。诺夫克说，它们看起来就像是虫子在沙土中钻洞后留下的沟穴。如果沙土固化，这种痕迹证据就会被留在岩石中。微生物垫不会像虫子那样在沙土中推出通道，但微生物可形成特征性的刻痕，比如碎裂、褶皱、成簇和卷曲等图案。最终，微生物死去，其细胞破碎，但它们沉淀下来的特征性刻痕会留下来。

诺夫克曾对微生物垫进行过研究，它们在全世界有水环境中留下刻痕——从德国海岸线的滩涂到突尼斯的泻湖。她见过的刻痕有形成仅数周的，有数千年前形成的沉积物中的，也有不同年代岩石中的。这类微生物形成的特征性刻痕被称为微生物诱发沉积结构（MISS）。到目前为止，诺夫克所见过MISS的最古老地层是南非的一片距今约32亿年的岩石层。

她认为自己可能在皮尔巴拉找到了更为古老的岩石，有迹象表明远古时期这里曾是盐沼地，正是微生物喜欢的一种盐滩环境。在最初的简单参观时，诺夫克发现了她怀疑可能是MISS的图案。她说：“当时我就想，‘我得再回来看个清楚’。”

于是，2011年，她与一名同样来自弗吉尼亚州诺福克的奥多明尼昂大学的研究生丹尼尔·克里斯蒂安（Daniel Christian）一起艰苦跋涉到皮尔巴拉地区中有着35亿年历史岩石的地方，拖来食物、水以及安营扎寨所需的补给，安顿下来准备为期三周的化石搜寻之旅。为了找出新露出的古老岩石层，两人在这一地区清理数日，最后找到了一块含有MISS的岩床。

在通往一个低矮山丘的半路上，诺夫克首先看见了微生物的刻痕。她说：“我太激动了，以至于接下来一整个星期我都在不停地说起这件事。”零乱的斑纹，这种被称为“碎裂”的图案布满了岩石表面。这些碎裂图案看起来就像是现代盐滩中微生物垫形成的刻痕。

“我立刻就被折服了。”诺夫克说。

她收集了一些小规模样本，带回实验室用显微镜进行观察。微型的花纹图案，以及岩石自身的矿物质组成，符合之前诺夫克所研究过的MISS特征，她和同事们在2013年的《天体生物学》杂志上报道了这一发现。

虽然由微生物垫形成的结构很微妙，对恶劣环境中存活微生物进行研究的波士顿却能够看出古代与现在MISS之间的相似之处。她说：“我非常坚信，他们所见到的正是起源时期的微生物。”

MISS中化学物质方面的证据也指向生命存在的迹象。诺夫克与来自克劳利的西澳大学古生物学家戴维·韦西（David Wacey）合作，检测岩石刻痕中碳元素的地质年代。她采集回来的样本中充满了远古时期的碳元素——对寻找生命迹象的科学家们来说绝对是个好兆头。诺夫克说，这些碳可能来自很久之前细胞破碎的残骸。

NASA的艾尔伍德正在进行的古代岩石方面的研究可以辅助在其他星球上寻找生命迹象，她希望看到诺夫克样本中化学物质的更多分析资料。不同的测试或许能够确定其他的生物学标志，比如这个MISS是否具有生命特征的碳元素信号：一种特定的碳同位素的放射信号。细胞倾向于囤积碳-12，碳元素中较轻的形式，是生命体中的基本结构组成。

虽然诺夫克发现的结构“相当引人注目”，艾尔伍德补充道：“但很难证明它们就是生物体。”

科学家们在对早期生命的证据进行评估时，一般依赖于可见特征的数据进行综合判断，但来自珀斯的前西澳地质调查局古生物学家凯思琳·格雷（Kathleen Grey）说，“很难去核实所有的选项。”研究人员很少会见到所有他们想见的特征，这也可以解释为什么古代生命迹象的证据总是会引发诸多争议。

生命层

曾有一个远古生命迹象令科学家们着迷了几十年。那是20世纪80年代时，在距今35亿年的岩石中发现了崎岖不平的结构，暗示着当时可能有细菌住在那里。

这些结构被称为叠层石，由多水环境中的微生物垫形成，富含碳元素，而碳元素也是石灰岩和珊瑚礁的基本化学组成结构。当碳形成颗粒、沉淀且与黏滑的微生物垫彼此叠加在一起时，就形成了叠层石。随着垫中微生物的生长，它们会改变周围水体的温度和酸度。这些变化又迫使水中溶解的矿物质在微生物垫的表层沉淀累积，然后顶层又形成新的微生物垫，反复如此，最终形成厚达数米的层叠式结构。

现代叠层石如夏克·贝（Shark Bay）在澳大利亚发现的那些，常常被一层薄薄的活细胞垫覆盖，不过它们的核心部分已经固化成岩石，格雷说，她已经从欧洲大陆各地收集了大量叠层石样本。她说：“这有点儿像是从底部堆起来的混凝土。”将这些结构横断切开后，科学家们能够看见不同微生物垫层所形成的明显呈波浪状的线。这种多层结构也见于古代叠层石。

与诺夫克的MISS一样，叠层石中的线索也指向约35亿年前的复杂生命。细胞必须组成群落形式才能改变其周围环境，波士顿说：“那可不是你能从DNA原始汤中晃出来的东西。”

不过，肯定存在某种类型的原始汤进化出了地球上第一个细胞。对于这些细胞，演化成群落状态或许需要花上数亿年的时间。这一段时间轴的证据藏在那些有38亿年历史的岩石中，它们位于世界的另一个荒凉角落格陵兰。这些岩石的碳同位素示踪结果表明，在形成早期叠层石和MISS的微生物的出现更早3亿年左右，可能就有生物存在了。

生命在古老的格陵兰土地上留下印迹，在这些印迹中还发现了另一种突然出现的元素：铁的红色条纹贯穿了最古老的岩石。这样的红色意味着周围环境中已经出现氧气并足以产生铁锈。那么，如果氧气早在38亿年前就已经存在，很有可能是光合细菌在将太阳能转化为糖的过程中将这种气体释放到空气中。

不过，韦西认为化学证据并不能完全令人信服。他对格陵兰岛岩石碳素示踪结果实际晚于有生命体出现的时间表示怀疑：“这些岩石中并没有结构能够让你确定它一定是化石。”此外，甚至有可能是现代植物碎片材料污染了古代岩石样本，表现出类似生命一样的碳信号。这些信号甚至有可能是由根本没有生命存在的火山和水热环境伪造出来的。

几十年以来，这一领域一直试图为早期生命实证证据的构成要求建立标准。理想情况中，科学家想要找到这样的化石：呈细胞形状，外部还由看起来像是膜的物质包裹出轮廓。对某些科学家来说，这种证据是建立起早期生命迹象令人信服案例的基石。到目前为止，还没有人在距今35亿年的叠层石或是MISS中发现这样的证据。

“生命是封闭在细胞膜中的，”牛津大学古生物学家马丁·布拉塞尔（Martin Brasier）说，“这就是我所认为的关键点。”

直接证据

科学家们认为他们在1987年找到了令人信服的古细胞证据。小威廉·史古夫（J.William Schopf）和邦妮·派克（Bonnie Packer）在《科学》杂志上报道称他们在澳大利亚的岩石层中发现了化石细胞，距今将近35亿年。这个研究小组声称包裹在鞘内的微型球体是细菌的微型化石。

大多数科学家接受了这一结论，直到2002年，布拉塞尔这个古化石评估行家震惊了整个领域。他仔细检查了所谓的细菌微化石，随后在《自然》杂志上发文称，这些结构根本不是化石：它们是矿物质生长的痕迹。“人们简单地去寻找那些令他们想到细胞的有趣形状，”布拉塞尔说，“形状固然很重要，但从化石信息能大致描绘出古细胞生存的环境以及找到类似生命行为的证据也很重要。你得将所有这些东西放在一起，然后才能看到一个完整的故事。”

2011年，布拉塞尔、韦西和他们的同事报道称发现了关于细胞微化石的更强有力的证据。他们的化石位于具有34亿年历史的沙石中，距史古夫和派克发现样本的地点仅50千米。

在更为年轻一些的岩石中，研究人员发现了成簇的圆形细胞，看起来就像是一串串葡萄，还有一些瘦长形的细胞，像香肠一样连成一串。布拉塞尔还主张称，这些微化石不仅仅是看起来像细胞，成簇结构的行为也像细胞。这些生物似乎是将自己困在了沙粒中。名为黄铁矿的微晶体散布在微化石内部和四周，可能是硫黄代谢过程中的副产物。与某些生活在低氧环境中的现代微生物一样，这些生物或许依靠“呼吸”硫这种元素生存，而非氧气。这一发现发表于《自然·地球科学》杂志上。

虽然诺夫克还没有在皮尔巴拉的MISS中找到真正的细胞，但她曾看到过纤维状的细长型细菌的显微结构。尚无人能确定这些纤维状的结构是否是最初的有机体，不过布拉塞尔认为，MISS值得进一步研究。他说：“如果我们能在MISS内部或是周围找到一星点半细胞的迹象，那我会非常高兴。”

总的来说，关于35亿年前复杂生命的证据正在逐渐累积，来自巴吞鲁日的路易斯安那州立大学地球生物学家穆德·沃尔什（Maud Walsh）说：“更多证据的线索正在建立起来，足以证实我们曾有过相当可靠的细菌生态系统。”沃尔什数十年来一直在追寻早期生命的踪迹。

研究叠层石的格雷对此表示赞同：“这就像把一件侦破案的线索放到了一起。”一次又一次，线索一直在暗示着地球早期生命的历史。并且，因为MISS是由复杂的生态系统形成的，细胞生命在这类结构出现在化石记录前必须存在数百万年。

沃尔什说，镶嵌在皮尔巴拉岩石中的古老结构甚至有可能帮助科学家们在其他星球上搜寻生命迹象。研究人员可以检视火星探测器传回的照片，寻找与地球最古老岩石中深藏着的证据相似的叠层石和MISS。

诺夫克对此充满希望，因为地球和火星都存在有古老盐沼的证据，她说：“火星上存在MISS的可能性非常大。”

布拉塞尔说，即使这种早期生命的假设最后被推翻，但它激起的激烈讨论是健康积极的，“如果我们真的在火星上找到了生命迹象，却没有人真正同意这一观点，那将是多么可怕的一件事，”他说，“我们已经在这里为此类辩论进行了彩排。” lH2nwPOD13sq//fMS3mkLa5oZzNY0ifBOHZj5byMiBzm6YLlVjdu9V1Kt/oByfck