當你看著街道上匆匆走過的行人和在秋風中颯颯作響的人行道樹,覺得周圍所有這些生物都是理所當然時,你有沒有想過時光倒轉,曾經有一天這一切都還沒有出現,浩瀚星球之中只有最初的生命開拓者,那一天的地球是何時、何等模樣?

 

生命誕生於什麼時候?從早期宗教中對創世紀的描述到進化論被認同後生物學的發展,歷史上人類對於生命起源的求知欲從未消褪。而在過去的幾十年間,科學家們在地質學和古生物學取得的突破已經使我們無限接近於最終的答案。

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41億年前,地球還處於冥古宙時期。也許那時就已經存在生命了?圖片來源:palaeos.com

35億,還是38億年前?有可能比那更久遠

迄今為止,最古老生命的直接證據來自於接近35億年前的疊層石。在被微生物佔領的地球早期,這種在微生物的參與下建構形成的沉積結構在全球廣泛分佈。其中,在西澳洲和南非兩地發現的疊層石保存了近35億年前藍藻細菌活動的證據。

 

而通過化學手段得出的間接證據則有可能將生命出現的時間進一步提前:在格陵蘭島,科學家們對形成於38億年前的岩石記錄中的磷灰石進行碳同位素的研究,他們發現實驗測出的數值無法被生命活動以外的過程所解釋,從而提出這很可能是生物活動的產物。一旦該結論被證實,地球上生命的誕生時間將被大幅度提前。

 

近日,一項來自於加州大學洛杉磯分校研究團隊的研究有可能將生命起源的時間點再次向前撥動3億年,該研究成果發表在最近的PNAS上。

 

鋯石恆久遠,一顆40億年

通過對岩石樣品的研究,人們解開眾多遠古生命的秘密。可惜的是,最早的岩石記錄「只」有40億年的歷史,人們可以通過什麼材料探尋現年46億歲的地球幼兒時期的秘密呢?答案就是「X石恒久遠,一顆永流傳」——不過不是鑽石,而是鋯石。

 

鋯石是一種在岩漿分異過程中結晶的礦物,它們跟隨著岩漿來到地表。能夠在超過40億年的漫長地質過程中得以倖存,鋯石必然擁有與眾不同的技能點:

一方面,鋯石的熔點在2000℃以上,即使在氧化狀態下也能在1500℃中保持穩定;

另一方面,鋯石抗風化能力很強,這就意味著鋯石一旦形成,無論是地表的風化剝蝕還是深部的變質過程都難以將其摧毀。

 

這裡教男人們一招,下次你們可以送女朋友鋯石戒指,告訴她鑽石以後一不小心就會變成石墨,鋯石才是真正能永遠流傳的珍寶……不過不保證一定成功……。

 

好了,回到正題上來。鋯石中有含量合適的稀有金屬鈾、釷和鉛——額,這裡並不是要造原子彈——而是這些元素可以為鋯石確定年齡。

 

現在人們知道地殼形成於44億年前,這一發現借助的正是在澳洲中西部荒漠的傑克山(Jack Hills)發現的鋯石。

 

既然鋯石可以穩定地從地殼形成初始階段保存至今,如果鋯石在結晶的時候恰好將一些對於破解生命起源有幫助的物質包裹起來,那麼有幸能穿上鋯石這層絕佳鎧甲的物質豈不是也有機會被今天的我們發現?

 

抱著這樣的想法,這篇文章的作者來到了最早鋯石的發掘地——傑克山,他們在這裡尋找蘊含原始生命資訊的遠古鋯石。經過一番努力,他們果真在這些細如髮絲的鋯石晶體中有所發現:在一粒41億年前的鋯石晶體中,研究者發現了一些石墨。

 

看到這裡你可能會提出疑問:石墨明明是無機質,這與有機的生命有什麼關聯呢?的確,石墨是碳元素以單質存在的一種形式,但這裡被包裹的石墨則因為一項特徵受到研究人員的關注,這就是其特徵性的同位素值。

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位於澳洲中西部的傑克山(Jack Hills)。這段綿延的丘陵成為了地球的早期資料庫。科學家在這裡發現了證明地殼最早形成時間的鋯石,本文研究的鋯石樣品同樣來自於這裡。圖片來源:news.sciencemag.org

發現生命的跡象:來自同位素的證據

我們知道同位素指的是質子數相同而中子數不同的核素,大家最為熟悉的就是氕氘氚。對於擁有6個質子的碳原子而言,它可以含有6個、7個或是8個中子,也就是碳12、碳13和碳14。這其中,碳14的性質與其他兩兄弟截然不同:碳14具有放射性,每經過約5730年,就有一半的碳14發生衰變轉變成氮14原子。考古學或者古環境學中經常出現的「碳同位素定年」運用的就是碳14的這一特性。

而碳的另外兩種同位素碳12與碳13就要乖多了,它們被稱為穩定同位素。也就是說,如果後期不參與其它的反應,那麼我們今天看到的碳13/碳12值就是該物質形成時的數值。

那麼,有機碳的碳13/碳12值有什麼特徵?一個字:「低」。有機物中碳13占的比例要低於它在無機物中的比值。這是因為在生物體利用二氧化碳生成有機質的過程中,碳12與碳13展開兩項競爭:

一是「解索」:初始狀態下,兩者都被氧原子用共價鍵這根繩索捆綁住,但是碳12作了個弊:捆綁它的共價鍵沒有碳13的牢固,所以當比賽開始,碳12更容易掙脫束縛;

二是「賽跑」:碳12體重更輕,因而它的奔跑——也就是擴散的速率更快。碳12在兩項比賽中均佔據優勢,因而它們更有機會被生物體利用。這個動力學分餾的過程使得生命活動製造的有機物具有特徵性碳同位素值。

 

通過對這塊鋯石晶體中保存的石墨進行碳同位素分析,研究人員發現其碳13比值很低,正好位於有機碳的範圍內!研究人員認為這可能是生物的遺跡,他們為我們重建了這段生命歷程:在至少41億年前的地球上,最初的原核生物已經誕生,它們能夠利用環境中的無機碳合成有機物。當生命的最後鐘聲敲響,它們緩緩墜入洋底的泥沙中,經過漫長的沉積作用成為沉積岩的一部分。

 

隨後在板塊運動中,這一部分洋殼向地幔俯衝下去,那裡的溫度越來越高、壓力越來越大,最終洋殼融化成為岩漿,而其中的有機碳也在高溫高壓下轉變成為石墨。在那裡,石墨幸運地遇見了正在結晶的鋯石,它被鋯石攬入懷抱,一起度過這接下來的41億年,直至以一種意外的方式「遇見」了已經進化40億年的後輩——我們。

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本次研究使用的鋯石樣品的X光圖像。箭頭所示區域即為被鋯石包裹的石墨。圖片來源:研究論文

尚未解決的爭議:其它的可能性?

從地球起源至38億年前的這段時間被命名為冥古宙,人們對這段時期的一貫認識是火山噴發遍佈、小行星與彗星撞擊頻繁的死寂世界,生命似乎與這段時期絕緣。如果這項研究的推斷成立,這無疑是一個爆炸性的消息:地球上生物起源的時間將被提前至冥古宙,人類對於簡單生命產生條件的認知無疑將被改寫。

 

所以說,這些科學家們搞出了一個大新聞?

且慢,事情並沒有那麼簡單。有機質的特徵的確是低同位素比值,但問題是其它的非生物過程同樣可以導致石墨的同位素值偏低:

一種可能性是這份石墨可能混入了一部分天外的材料。隕石中的碳同位素值可以遠遠低於有機碳的範圍,這樣最終的石墨出現有機碳的數值也就不足為奇;

此外,在鐵的催化下,無機形態的碳氫氧有可能合成甲烷等烴類,只是該反應在低溫下尚未得到證實。

 

研究團隊也表示,目前人們並沒有辦法驗證這份石墨材料的來源是以上的某一種過程。同樣,這些可能性在目前也都無法被排除。為了對早期地球開展更深一步的探索,研究者需要繼續向鋯石尋求幫助,繼續挖掘這些礦物為我們保留下的生命痕跡。

 

所以呢,在你和朋友聊天時,千萬別說成科學家發現41億年前地球上就有生命存在——這項研究只是「通過間接的地球化學證據提出41億年前生命存在的可能性」。至於作者的假設是否成立,現在我們尚無法證實。

 

無論是35億年前還是尚需證實的38億、41億年前,這些可能都不是生命的真正起點。不要忘了,這些已經得到解析的證據只是地球寶藏的冰山一角,更多遠古生命的資訊仍然埋藏在地質記錄中等待人們的發掘。所以關於生命在地球上的起源,目前仍有許多謎團等待著人們去揭開神秘的面紗。

 

撰文:柯石英_USTC

編輯:Jerrusalem

 

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