互动科普

质疑生命起源的证据

SarahSimpson

在岩石中，史前生物似乎留下了无数的化石证据，来证明自己曾经存在过：身躯笨重的恐龙溺死于泛滥的洪水中，庞大的股骨嵌在含砂的泥岩中；一度生长在泥泞沼泽中的热带蕨类，锯齿状的叶片紧压在乌黑发亮的煤层里；弯曲的蠕虫在泥质的海岸地带蜿蜒行走。我们不会混淆这些远古的生命痕迹与埋葬它们的“石棺”，但越是古老的生命．要辨清其葬身之地就越难。

在能够走动、爬行或扎根的生命出现之前，地球上散布着只有用显微镜才能看得见的细胞。生活在大约25亿年前(也即所谓太古代)的细胞，其生命痕迹实际上已经与周围岩石混为体，难以区分了。在漫长而无情的时间长河中，它们时而埋入地下，时而推出地面，就像在高压锅中反复蒸煮一样，使得

今天地表的岩石中已经很少留下成为化石的细胞了。一般来说，地质学家必须转而寻技其他形式的生命痕迹，即所谓生命印记”(biosignature)。有的生命印记非常细微难辨，如细小污点般的碳斑痕，其偏斜的化学组成是生物所特有的。

十多年前，借助于高倍显微镜，地质学家在地球岩石中探测到年龄达34亿6500万年的明显化石。它几乎把我们带回到了生命起源的时刻，也就是简单的无机分子首次实现自我复制，并开始与环境互动而进行选择和淘汰的时刻。到1996年又有新的技术．能够测出含碳样品中化学组成的微小差异。这似乎进一步证实了生命至少在36.5亿年前就已经存在的猜测。同年有人宣布，在南极洲发现的一块火星陨石中找到了39亿年前的生命印迹。这一惊人消息使科学家兴奋不已，他们越发相信，自己能够从隐藏于岩石的蛛丝马迹中找到远古的生命。

然而好景不长，由于火星陨石的证据几乎在抵达地球就已烧毁，到头来只剩下唯一的一个标记在那里吆喝着，希望获得承认。2002年初，在地球上发现的、原本广为接受的生命证据也开始动摇。地球上两项最古老生命的地质资料，分别发现于格陵兰和澳大利亚，而多项研究对它们提出了严重质疑。这两处的地质经重新评估后显示，这些岩石形成的环境不可能有生命存活。还有人质疑，无生命的化学过程可能模拟出特殊的碳痕，甚或形成微体化石的形态，因此这些线索并非有用的生命印记。

质疑者的主张引发了一场正在进行的争论：如何才能正确鉴定出地球上甚或太阳系其他地方的原始生命?美国加州大学洛杉矾分校的古生物学家Runnegar说：“如果地球上的事我们都弄不明白．又怎么能弄清火星上的证据呢?”2004年初，美国航空航天局(NASA)的两只火星探侧器计划探查火星岩石，届时太空科学家一定会把这一点牢记在心。

来自地狱的生命印记

丹麦的格陵兰岛是一片冰雪苦寒之地，位于首府努克以南30公里一个叫“阿基利亚”的小地方，7年前就是在这里发现了地球上最古老(自然也是最有争议)的生命证据。阿基利亚最宽的地方不过两公里，步行5分钟就可以横越。那里覆盖着厚厚的极地苔衣，那些极为重要的、富含石英的乳白色带状岩石，夹在深色火山岩板中泛着微光。科学家根据只存在于火山矿物中的放射性元素，测出了邻近一块石板的年代：38.3亿年以上，是地表上现存的最古老岩石之一。至于泛着微光的白色岩石，不含可以测定年代的矿物。但地质学家根据其所处的位置推断，年代应该更加久远。

阿基利亚的荒凉景致，让人觉得这些岩石仿佛自诞生以来就一直保持现在的样子。然而沧海桑田，地球在不断地变化。这些岩石露头与大多数太古代的岩层一样，都经历过地球上最严酷的地质过程之一——变质作用（metamorphism)。在地球历史85％的时间里，这些岩石受到推埋、扭曲、折叠

甚至灌满液体。它们被扯入地底几乎70千米深，接受700摄氏度的高温灼烤，然后又经历两种以上不同的抬升程序，才回到地面。如果某块岩石曾沉于海底，并挤满微小的生物，要想找到这些生物的完整痕迹，几乎是不可能的了。

而在l996年，地球化学家J．Mojzsis(现于美国科罗拉多大学博尔德分校)，却从这些饱经磨难的白色岩石中看出了生命的踪迹。透过扫描电子显微镜的探头，他识别出了石墨的黑色斑点。同时他还注意到，这些石墨斑点周围包裹着坚硬的磷灰石晶体，或许正因此石墨才经受住了严酷的变质作用，得以保全。

Mojzsis之所以坚信这一生命证据，还因为他进一步详细分析了20多个碳斑点，发现它们有生物特有的同位素偏移率。所有斑点都检测出丰富的碳12，这是最轻也是最常见的碳同位素。生物体是非常讲究效率的，当它们利用二氧化碳作为活动的燃料时，使用较轻的碳12同位素的效率比碳13要高（碳13的原子核比碳12多了一个中子，因此比较重））。这种偏好使生物体内拥有较多的碳12，比溶解于海洋的二氧化碳中的碳12多了约2-3%。

研究人员对数千个年代较近的岩石进行了轻碳同位素测定，发表的结果均相当吻合，因此，在过去60年的时间里，轻碳作为“生命印记”一直受到公认的支持。而由于Mojzsis的石墨样品集聚了约3.7%的轻碳，对他而言这已是完美的证据，足以说明这就是地球上最古老的生命。这一结论还有另一层涵义，它意味着生命起源于一个环境极恶劣的时代，那时陨石的强大撞击使海洋沸腾，使地球大气在数千年间充满气化岩石的酷热迷雾。目前任职于美国乔治华盛顿大学的地质学家M. Fedo便说：“的确，那时的许多科学家都满心认同，Mojzsis的发现是打开地球远古未知历史的一把钥匙。”

一年之后，也就是1997年，Fedo随同Mojzsis及其他几位地质学家来到阿基利亚。Fedo回忆说，最初他觉得此行“仿佛是朝拜圣地”。但随后，这两位年轻的研究者对该地过去历史的看法便有了分歧，而且对轻碳的真正涵义也有不同的解释。Mojzsis及其同事原本推断，根据岩石的组成和结构关系，含有石墨的岩石应该起源于一个适合生物生存的环境，也即海洋盆地，盆地的砂子与其他微粒（包括海洋生物细胞）形成了富含石英的沉积岩层。另一方面，由于Fedo刚用了一年时间在津巴布韦测定太古代的岩石，现在他亲眼看到这里的岩石，立刻对Mojzsis的说法非常怀疑。他指导火成岩（炽热岩浆冷凝而成的岩石）有可能看起来像沉积岩，反之也然，只要在变质作用期间失去或获得某些关键的矿物即可。Fedo说：“如果我们要了解生命，最好先了解地质。”

后来，Fedo和斯德哥尔摩瑞典自然史博物馆的地质年代学家J. Whitehouse返回阿基利亚，自己动手进行勘察和化学分析。去年春天他们公布了结论：被Mojzsis等人认定为古老沉积岩的那些富含石英的岩石，其实是火成岩经历了某种变质作用之后的产物，而已知这个过程会把非生物的碳转变为石墨。Fedo与Whitehouse坚称，应该可以用无关生物的过程来解释上述石墨的轻碳印记。Fedo更进而断言，不能仅仅因为目前尚未证实，就相信无机反应不能模拟轻碳印记的形成过程。

地质就是一切！

阿基利亚岛上的地质结构及其复杂。Mojzsis、Fedo及其他许多研究者各执己见，原因正在于此。也因此，丹麦哥本哈根大学地质博物馆的野外地质学家T. Rosing把阿基利亚形容为“彻底无聊”。他说，没有任何两位地质学家对其岩层历史会得出相同的看法，因此“我们或许永远也无法解决这个问题。”请注意，这话出自一位格陵兰本地人之口，而他已经花了超过20年的心血，来研究这片冰雪之地的地质。

但还是有许多研究者不愿意停止争论，例如美国航天局天体生物学研究所的新所长Runnegar上任伊始，就差不多把阿基利亚问题列在工作计划的第一位。这个研究所联合了全美15个研究团队，年预算几近2000万美元，任务是寻找地球及地外天体生命起源及演化的证据。Runnegar说：“这一、两年内，我们打算请来真正懂这些石头的人，在我们采集的东西中找出一点共识，好让每个人都知道其他人究竟在说什么。”

然而，Rosing和其他一些研究者，包括美国加州大学洛杉矶分校的古生物学家Schopf都指出，即使科学家在阿基利亚岩石属于沉积岩这点上达成共识，仍然无法证实其中的碳来源于何时何地。他们坚持认为，在变质程度如此之高的岩石中，轻碳（事实上应说是石墨）只能暗示“可能有生命”，其本身并不足以构成一种证据。在沉积物承受高温高压时，可能有流体从别处带来年代较晚近的碳，而且即使碳受到坚硬的磷灰石晶体层的保护，有机物的碳键也会断开并可能重组。Schopf说：“我觉得真的没有好法子来从实测值回推原始值，掌握线索是一回事，真正知道事实完全是另一回事。”

在格陵兰另有一个更具说服力的线索，转移了众人的注意力。它位于阿基利亚东北约180千米的伊苏瓦，最近Rosing在那里探测到轻碳生命印记。据他说，与阿基利亚有如炼狱般的恶劣历史条件相比，伊苏瓦的岩石只经历了如“偏头痛”似的轻微变质而已。发现这块矿藏绝非易事，它是4千米宽的太古代岩层，沿着蓝灰色格陵兰冰帽的西部边缘延伸了35千米。伊苏瓦岩石的许多特征，如特殊的光泽与弹珠大小的各式晶体，包括红色的石榴石、黑

色的角闪石以及灰绿色的透辉石等，证明它们所经历的变质作用，几乎与阿基利亚岩石一样强烈。

Rosing来到伊苏瓦之初，本来是想了解高温流体是如何使岩石发生变化的。他说：“我并不是去哪里寻找生命迹象的，并且我对这种迹象一直持怀疑态度。”对这片只有直升机才能抵达的遥远之地，Rosing在1980年进行了首次科学考察，此后他又多次来到这里，每次都停留一至三个月，与驯鹿、北极兔和雷鸟等动物为伍。经过反复考察，他终于能够区分并剔除火成岩，还有过度复杂而无法保存生命印记的岩石。然后在1999年，他描述了伊苏瓦西侧的一处很有希望的古老沉积岩露头，其他地质学家同意它的年龄超过37亿年，很有可能与阿基利亚岩石一样古老。而Rosing正是在那里发现了轻碳生命印记。

伊苏瓦这部分的地质相对破坏较少，因此揭示了有关沉积环境的重要细节，而这在阿基利亚是不可能做到的。这些轻碳固定在一层层的粘土中，而粘土应该能把沉积到海底的生物微粒托住。岩石中同样含有丰富的碳，厚厚的古老沉积岩中一直都有碳的存在——它是经过超过百万年的缓慢沉积逐渐形成的。Rosing解释说，在这百万年中，每日每夜，都有与今日微生物体内成分相同的碳，如雨点般沉降到深海底部。

到目前为止，还没有人对Rosing的基本观点提出认真的质疑，而他已经着手为可能产生轻碳的微生物确定出特征。Runnegar则说：“若要赌格陵兰的生物证据，所有人都会把赌注押在这里。”

然而即使是格陵兰最有力的证据，也只提供了唯一一个生命迹象。毫无疑问，一个地方如果能同时提供多条线索，那说服力就强多了，而Schopf在地球的另一端便做到了，他的解释成为里程碑，已经没有人提出异议。

澳洲的新曙光

在所有潜在的生命证据中，最受科学家青睐的，莫过于真正的生物体化石，即使只有一、两个细胞那么大也好。在澳大利亚那片看似时光停滞的地理景观之中，就存在许多这样的化石记录。例如会产生氧气的蓝绿藻（cyanobacteria），已有无可争议的微体化石存在于20亿年前的岩石中。此外，3年前，研究人员在已有27亿年之久的岩石中，发现了所谓分子化石的可信实例，是细胞膜内脂质成份所形成的复杂有机分子痕迹。与这两项振奋人心的发现相比，Schopf的开创性研究工作把化石证据的时间向前推得更远。在研究了30年古老的微体化石之后，1993年Schopf掀起了新一轮的早期生命研究热潮。

像格陵兰一样，澳大利亚最古老的生命痕迹也出现在偏远的地区，在其西海岸伯斯市以北约1200千米处的古老景观区。要不是小袋鼠在叶尖含硅且又刺又硬的滨刺麦间跳来跳去，或偶尔有家汽车旅馆停着两辆脏兮兮的卡车，人们会误以为这片满是沙尘的丘陵地区简直是火星。在红色荒漠中的一个小水坑里，地质学家很久以前就发现过一种“顶燧石”（Apex chert），而它里面正隐藏着Schopf著名的微小化石。顶燧石是砂子与小卵石的混合物，在火山侧翼的浅海道中受海浪搅拌混合而成。同格陵兰的含石墨岩石一样，顶燧石无法直接定出年代，但它夹在两道可定出年代的熔岩流之间，形成时间分别是34.6亿年和34.7亿年前。这使得Schopf的化石成为世界上最古老的微体化石（其他宣称属于太古代的化石还有6种，包括在南非4个地点发现的微体化石）。更深入的分析揭示，Schopf化石如果真正是生物留下的，那它的多样性也是最高的，已在其中鉴定出了11个微生物新物种。

Schopf将顶燧石透露信息的石墨斑点，称作“已故活细胞的丝缕”。支持的证据还包括顶燧石里含量特别丰富的轻碳，以及邻近形成化石的叠层石（stromatolite）；叠层石是矿化的细菌团形成的小丘，它们是唯一可以用肉眼看到的太古代生命痕迹。从这3项证据出发，教科书和电视乃至“吉尼斯世界纪录大全”，都异口同声宣称这就是地球生命最古老的化石证据。

然而2002年3月，当地的地质与化石经过重新解释后，Schopf这一生命起源的著名观点被颠覆了。2002年3月，英国牛津大学的微体古生物学家Brasier及其7位同事，针对Schopf1993年所作结论，发表了一份强有力的重新分析报告。Brasier提出了好几项质疑，他特别强调，被认为存在化石的顶

燧石，并非沉积在阳光充足的浅海，而是黑暗深海底的热泉涌出处；这一差别至关重要，因为Schopf提出，他的化石应该是喜光的蓝绿藻。而且还有一个更大的问题，Brasier提出，许多Schopf认为是生命物质的微观结构，可能根本是无生命的物质。

现在Schopf也坦言，他依赖二手地质资料是一个错误。他也勉强承认，那些大出风头的化石可能不是进行光合作用的生物，而是嗜热细菌的祖先；这类细菌使美国黄石国家公园热气腾腾的间歇泉水以及海底火山显得色彩缤纷。Schopf不久前用了一种名为“拉曼成像”的技术，以散射光重新探测这些碳斑痕的内部三维结构，结果许多结构看起来很像是细胞壁。

但Brasier坚持认为，无生命的化学反应应该也可以聚集许多轻碳，这与Fedo等人对阿基利亚的论断异曲同工。在这方面迄今还没有决定性的研究可资佐证，但是若干实验的确表明，如果金属和其他化学物质（如海底热泉处富含的那些化学物质）配比恰当，可能会引发某些特殊的化学反应，模仿生物有限选择轻碳同位素的特性。尽管Brasier也承认，碳确实可以表明古代微生物留下得到印记，但他强调：“你必须先证明它们的非生物性起源是错误的，才能认同它们的生物性起源。”

Brasier等人会说，其他的生命印记也必须用同样的方法来检验，例如轻硫。从顶燧石所在地出发，向东北方向行驶令人筋疲力尽的两个小时之后，就到了地名有些滑稽的“北极”地区。那里有34.7亿年前形成的岩石，含硫丰富，特别是较轻的硫32（相对于较重的硫34而言）。而这正是以硫为能源的细菌，其排泄物所具有的特征。与轻碳一样，“轻硫印记”清楚记录了地球历史上曾出现的生命。但是对于这些澳大利亚西部异常古老的岩石，同样的争议依然存在：这些岩石究竟是在细菌生活的低温环境中形成的，还是通过高温形成的（模拟细菌的非生物反应）？美国华盛顿大学的澳洲地质学家Buick等人支持前者，声称含硫晶体是在一个逐渐蒸发的环礁湖中形成的，但并不是人人都同意这种观点，尤其是Runnegar。

尽管存在种种争议，Schopf仍然坚守他的基本立场。他反驳说，尽管单一的某个生命印记可能有疑问，但不表示整个证据就没有用。从一个地点发掘出的一组生命印记，或许单独看起来可能有争议，合在一起却是有力的一击。他喜欢说：“如果看起来像生命，具有生命的生态环境，拥有生命特征的同位素，并且符合所有生命所需的证据，那么说它是生命就八九不离十了。”

到目前为止，生物起源和非生物起源这两种可能性的同时存在，使格陵兰和澳大利亚的最古老岩石仍然复杂难解。不过，你不必担心科学家会失去辨别早期生命的能力，要知道，围绕阿基利亚以及顶燧石的争论，只针对最古老的生命证据。它固然重要，但并非这一领域的全部。伊苏瓦与南非德兰士瓦盆地的岩石只年轻一点点，争议就少多了。虽然许多科学家对细节颇为计较，但生命的久远是大家都认同的。

寻找地外生命

在这些争论中，也许最重要的结论是：无论你研究的是地球上的古老岩石，还是来自其他星球的陨石，你都不要只凭一把“冒烟的枪”来进行论证。这个结论，对我们寻找地球上的早期生命，以及未来解读火星上的证据，都有重要意义。Brasier告诫说，如果我们“还没有探测早期生命的判断标准，就以机器人或真人来执行火星任务，必然会导致无谓的论战，只会使科学界士气受挫。”

美国航空航天局的科学家同意这样的顾虑，因此他们在寻找过去的生命之前，决心先要弄清楚火星的地质。美国康奈尔大学的行星科学家W. Squyres说：“想想看，野外地质学家在地球上折腾了200年，仍对生命印记的可靠性存在争议，要想可靠地研究火星上的生命印记，我们还差得远呢。”

从1997年起，Squyres成为美国航空航天局即将进行的火星登陆任务的首席科学家。这项任务将在火星表面寻找线索，看是否有适合生物生存的环境。今年5月底到6月间，两台遥控式自动地质分析装置“火星巡回者号”将发射升空，并将于2004年1月开始在这颗红色星球上开展野外考察工作。轨道太空船已经观察到了在火星的某些地方可能曾有过液态水，而液态水正是所有已知生命形式都必不可少的。上述两个“巡回者”将在可能有水的地点登陆火星，这已在今年4月11日公布。

格陵兰和澳大利亚的经验表明，地球上很难找到容易辨识的远古生命印记，因为在过去40亿年中，地壳板块在不停运动。而火星可能从未发生过这样的过程，研究者预计，除了少数几次陨石撞击外，火星表面在这同样漫长的时间里，仍应该完好如初。Squyres语带讥诮地说：“如果火星上真的曾经有生命，证据可能要好找得多。”

【武晓岚/译   曾少立/校】