从一连串化石新发现来看,地球生命的起源时间或许比任何人想象中都早。一种广受认可的太阳系起源理论也因此受到挑战。

在澳大利亚西北部干旱炎热的一角,就在南回归线上,地球最古老的一面暴露在白昼之下。在海岸城市黑德兰港以南,驱车穿越澳洲的北部内陆,不一会儿,你便来到一片被时间磨平了棱角的丘陵。这是皮尔巴拉稳定地块(Pilbara Craton)的一部分,它成形于35亿年前,也就是地球刚刚诞生之时。

地球.jpg

艺术想象图:“后期重轰炸期”的年轻地球

再凑近一点看。透过丘陵间的一条缝隙,橙色夹心棒冰一样的古岩石胡乱外溢:这是一个沉积层,名为顶点燧石(Apex Chert)。其中有一些微型管道,只有用显微镜才能看到。有的管道像是描绘龙卷风的岩画;有的像被压扁的蠕虫。有史以来,在地球上收集到的所有岩石样本中,它们是最具争议性的一批,而且它们所展现的,也许是迄今发现的最古老的生命形态。

围绕这些生命形态的本质,学术界已经争论了数十年。去年12月,不同研究团队又发起了新一轮攻势。按照威斯康辛大学地质化学家约翰·瓦利(John Valley)的说法,这些生命形态就是生物化石,而且可追溯至34.65亿年前。若此话不假,那么,这可能意味着,在动荡不定的早期地球上,生命的多样性就已然十分惊人了。

地球2.jpg

上图:一块距今约35亿年的岩石,取自西澳大利亚“顶点燧石”沉积层。下图:“顶点燧石”样本中发现的一例微化石。

包括上述发现在内,近来的很多研究都针对远古时代的地球,描绘了一幅全新的图景。近一年来,多个不同的团队或挖掘、或粉碎、或用激光冲击,分析了各种岩石样本。这些岩石中可能含有37亿年、39.5亿年乃至42.8亿年前的生命。这些微化石——或是相应的化学证据——成为了争论的焦点,但也给传统的地球起源理论笼上了疑云。

按照传统看法,地球在成形之初的5亿年里,就是一个炼狱。这个初生的世界被火山喷发撕裂着,被其他行星的碎片撞击着,环境恶劣至极,并因此得名“Hadean”——希腊神话中的冥府之名,中文译为冥古宙。直到大约38亿年前,在一场剧烈的小行星撞击结束后,生命才开始进化。

但这种说法日益遭到质疑。眼下,很多地质学家都认为,从一开始,地球上的气候也许就温和而湿润。已知最古老的岩石告诉我们,44亿年前,地壳的某些部分就已经冷却并凝固下来。分析岩石中的氧元素可知,早在43亿年前,地球上就存在水。而且,陨石撞击也可能随着太阳系动荡的逐渐停息,慢慢地偃旗息鼓,而不是在一场大爆发后戛然而止。

“很早以前,地球的某些方面就跟现在十分类似了。上面有水,或许还有一部分稳定的地壳。若说有一个适宜生存的环境,并存在某些形式的生命,并不是完全没有可能。”加州大学洛杉矶分校的地质化学家伊丽莎白·贝尔(Elizabeth Bell)说。

结合来自月球和古代地球的最新证据,一幅跟冥古宙地球截然不同的画面开始显现:地球坚如磐石、气候温和湿润,且不受陨石撞击,从一开始,便是个伊甸园。 古老的线索 大约45.4亿年前,在太阳诞生后余下的灰尘与岩石之中,地球逐渐成形了。小一点的碎片持续击打着婴儿期的地球,给它加热;放射性物质又使它进一步升温。地表是一片岩浆的海洋。当时的地球并非岩质星球,而是一个炽热的岩浆球。

地球成形后没多久,一颗一意孤行的行星就重重地撞了上来,巨大的冲击力将地球汽化重塑,月球也由此产生。之后,陨石撞击并未停止,有的留下了直径1000公里的陨石坑。按照传统的冥古宙时期理论,这些撞击在一场名为“后期重轰炸期”(又称“月球大灾变”)的轰炸中达到巅峰,即小行星向内太阳系迁徙的途中,向岩质星球发起的猛烈冲击。这一时期大约在38亿年前结束,在此过程中,地球都是炽热的岩浆,无法支撑起稳固的岩质地壳,孕育生命更是无从谈起。

地球3.jpg

“月球大灾变理论”遭遇冲击

按照早期太阳系的标准理论,频繁的小行星撞击使地球如同炼狱一般。但新的化石发现向这种观点——尤其是后期重轰炸期观点——发起了挑战。

45.5亿年前

在太阳诞生后余下的碎片中,地球逐渐成形。

45亿年前

地球被一个行星大小的天体砸中,月球由此诞生。

45亿-41亿年前

太阳诞生后余下的小行星继续冲击早期地球。

40亿-38亿年前

后期重轰炸期来临,地球受到进一步冲击。

38亿年前

一场重击之后,月球上形成雨海,一个直径1000公里的环形山。

近期的生物化石发现

一系列研究都宣称,它们找到了40多亿年前地球上存在水与生命的证据,后期重轰炸期理论由此受到质疑。

但大约十年前,这幅图景开始改变,主要原因是一种名为锆石的微晶体。这种宝石通常只有一个英文句点般大小,但它告诉我们:早在43亿年前,地球就已经相对冷却、潮湿,甚至可能适宜生命生存。近年来,古岩石中发现的化石又为这种理论提供了新的证据。皮尔巴拉稳定地块中的微化石就是最新一例。

当前,最古老的疑似生命遗迹至少有37.7亿岁,甚至可达42.8亿岁。只不过,这个证据被很多科学家怀疑乃至否认。

2017年3月,伦敦大学学院地质化学家多米尼克·帕皮诺(Dominic Papineau)和学生马修·多德(Matthew Dodd)一起,介绍了一种在加拿大魁北克省远古岩石中发现的管状化石。该岩层名为努弗沃格塔克绿岩带(Nuvvuagittuq Greenstone Belt),是地球原始海床的一小部分。化石宽度为头发丝的一半,长仅0.5毫米。多德称,它们由赤铁矿构成,有可能是微生物群落的化石,历史最早可追溯至42.8亿年前。

地球4.jpg

努弗沃格塔克绿岩带中的红色岩石,其中或许包含管状微生物化石,年代至少可追溯至37.7亿年前。

“它们有可能在岩浆口周围的岩石上,形成了一层凝胶状、铁锈红的地毯。”多德说。今天的海洋中就存在类似的结构,在阳光触及不到的、黑暗的热液柱周围,微生物和血红色的管状蠕虫一派生机盎然。

多德发现,这些管状化石的附近存在石墨,并伴随“蜂巢饼”状的碳酸盐——含有有机物质的微型碳环。非生物过程也可以形成这样的碳酸盐,但除此之外,多德还发现了磷灰石(一类含钙的磷酸盐矿物),他表示,它可以作为生物活动的存在证据。研究人员还分析了石墨中不同碳同位素的比率。大体而言,生命体喜欢使用相对较轻的同位素,因此,碳12相对碳13来说更加富集,就可作为一个指标,用来推测过去的生物活动。“蜂巢饼”附近的石墨也可能是生命存在的痕迹。综合起来,多德表示,这些管状物及其周围的化学物质表明,它们有可能是深海热液喷口附近,古老微生物群落的遗迹。

对于遗迹所处岩石带的确切年代,学界仍有争议,但大家一致认为,其中的确包含了地球上最古老的含铁岩层之一。这表明,那些化石也一样古老,比之前的很多发现都古老得多,而且大大超出了很多科学家划定的时间界限。

地球5.jpg

这些微化石很像如今生长在深海热液喷口附近的海洋生命。

到了2017年9月,日本研究人员分析了萨格莱克地块(Saglek Block)的一些石墨屑,并发表了研究结果。该沉积岩位于加拿大拉布拉多省,有39.5亿年历史。东京大学的佐野有司(Yuji Sano)和小宫刚(Tsuyoshi Komiya)称,其中的碳同位素比率表明,这些石墨也来源于生命活动。但它们并不具备化石特征;另外,其周围岩石的历史也含糊不清,就是说,这些碳可能没那么古老。

再往东,在格陵兰岛西南部,另一个团队也找到了远古生命的证据。2016年8月,澳大利亚伍伦贡大学的艾伦·纳特曼(Allen Nutman)和同事们报告称,他们发现了37亿年前的叠层石,即微生物的化石遗迹。

地球6.jpg

艾伦·纳特曼在格陵兰岛南部的伊苏阿带,勘探古微生物。

对以上每一项发现,很多地质学家都持有怀疑态度。比如,纳特曼发现的化石来自格陵兰岛南部的伊苏阿带,那里有地球上已知最古老的沉积岩。但它解读起来却困难重重。前面提到,非生物过程也能形成“蜂巢饼”式的碳酸盐,同样的道理,无需生命的参与,最基础的化学反应就能产生足够多的叠层结构,这就意味着,它们也可能不是叠层石,而是无生命活动的顶替品。

另外,几十亿年来,努弗沃格塔克绿岩带和伊苏阿带都曾被重新加热、挤压,在此过程中,岩石会融化、再结晶,这样就脱离了原先的沉积态。

“我并不是觉得别的研究不对,只是说,它们不足以充当证据。”威斯康辛大学的瓦利表示,“我们只能说,纳特曼的石头看着很像叠层石,这非常有吸引力。”

而对于他在皮尔巴拉稳定地块中找到的化石,瓦利就没有那么审慎了。

地球7.jpg

这些叠层石在沉积岩中形成了波浪形的小山包。竖线是研究人员的切割线。

生命的迹象

这些微化石在皮尔巴拉稳定地块中沉睡了34.65亿年,直到被科学家发现后,才被分离出原生岩,然后打包运往加州。1993年,加州大学洛杉矶分校的古生物学家威廉·舍普夫(William Schopf)发表论文,论述了他在岩石样本中发现的奇特波浪线,以及他所鉴定出来的11个微生物分类单元。有些持不同意见的人表示,这些形态有可能是非生物过程的结果,对此,地质学家们一直争论至今。去年,舍普夫给瓦利发去一份样本,因为瓦利除了是这方面的专家,还精通一种测量同位素比率的超精密仪器,名为二次离子质谱仪。

瓦利的团队发现,其中一些化石的碳同位素比率与现代光合细菌一样。另有三种化石的同位素比率跟消耗或产生甲烷的微生物一致。而且,这些同位素比率与舍普夫鉴定结果中的某些物种相对应。瓦利称,出现这些同位素比率的地方与这些微化石的形状相契合。他还表示,在物理和化学层面都很像化石的样本中,这些样本是最古老的。

地球8.jpg

瓦利在威斯康辛大学麦迪逊分校的质谱仪实验室内。

如果你接受多德、小宫刚和纳特曼对各自样本年代的论述,你会认为,舍普夫和瓦利的样本并不是最古老的,即便如此,它依然有其独特之处,那便是多样性。他们探测到的碳同位素比率丰富多样,这表明,岩石上存在的,是一个错综复杂的原始生物体群落。必定要有充分的进化时间,它们才得以迭代出无穷的生命形式。也就是说,它们的发端一定早于34.65亿年前,而这意味着,我们真正的祖先比大家想象中要古老得多。

湿润的世界

其实在科学家发现这些化石之前,就有迹象表明,早期地球也许是伊甸园而非炼狱。早在2001年,这些岩石本身就开始提供证据。那一年,瓦利发现的锆石表明,早在44亿年前,地球就已经存在地壳。

锆石是一种结晶矿物质,内含硅、氧、锆,有时还含有其他元素。锆石在岩浆中形成,它和更为人熟知的其他碳晶体一样亘古不变。锆石比孵化它的岩体更加持久,能经受住几十亿年难以言说的压力、腐蚀和变形。因此,它们是冥古宙保存至今的唯一一种石头,成为弥足珍贵的“时间胶囊”。

在西澳大利亚的杰克山岗(Jack Hills),瓦利取得了一些锆石样本,其中的氧同位素比率表明,形成这些晶体的物质曾受到液态水的锻造。这表明,地壳冷却、凝固并积水的时间比已知最早的沉积岩至少还要往前推4亿年。有液态水,就可能有整片的海洋,瓦利说。其他的锆石研究也得出了同样的结论。

“冥古宙时期的地球不是炼狱。这是我们从锆石中得出的结论。当然,火山还是存在的,但这些火山周围很有可能是海洋。至少会有一部分是陆地。”他说。

那些锆石表明,当时的地球甚至可能还有生命存在。

在2015年发表的研究中,贝尔与合著者提出了另一项证据,它同样来自杰克山岗,是一块41亿岁的锆石微晶体中的石墨。该石墨的碳同位素比率表明,其中存在生物活动的可能性,不过该结论依然备受争议。

“除了有生命存在,还有没有别的解释?有。”贝尔说,“但在我看来,用碳同位素比率作为某种化石或生物源结构的证据,这是最可靠的证明方式。”

地球8.gif

在41亿岁锆石样本的X光片中,碳沉积形成的多处黑点隐约可见。

如果古岩石中的蛛丝马迹没有误导我们,那么,它们就说明,从始至终,生命都无处不在。科学家将目光投向哪里,哪里就有生命及其化学反应的证据,不论是化石,还是亿万年前生命骚动过的痕迹。也许,生命根本就不挑剔,也不脆弱,你能想象到的最恶劣的环境,它都可以攻克。

“在地球面临最大冲击的同时,生命也在做一些有趣的事情。”美国西南研究院的行星科学家比尔·博科(Bill Bottke)说。

也许不然。也许早期地球并没有那么可怕。也许陨石撞击并没有你我想象中那么剧烈。

证据

过去,地球和其他所有天体一样,都曾遭到小行星的猛烈冲击。月球、火星、金星和水星都见证了这种原始暴击。问题在于,这些冲击发生在何时,持续了多久。

基于“阿波罗”登月飞船带回的样本,科学家开始认为,冥古宙期间,地球至少经历过两次泾渭分明的撞击期。第一个时期是行星形成过程中产生的不可避免的副作用:那些较大的小行星被行星们分走,木星则将剩余的碎片收入自己的小行星带,这个过程耗费了一定的时间。

然后是第二个时期。它始于太阳系形成后的5亿-7亿年间,在大约38亿年前,逐渐偃旗息鼓。这一时期被称为后期重轰炸期,或月球大灾变。

地质化学就是如此:一场波及全球的闪电风暴,一场史诗级规模的事件,都是从最小的蛛丝马迹中推导出来的。“阿波罗号”样本中的钾和氩同位素表明,在月球形成大约5亿年后,月球的一些部分突然熔融了。科学家以此为证据,认为在月球的历史上,它曾被猛烈撞击过。

锆石也提供了初步物理证据,揭露了后期重轰炸期的一些遗迹。一些锆石中含有某些矿物,那是极端高温与高压留下的印记,有可能标志着曾经出现过的恶劣条件。很多锆石的年龄不到30亿年,但贝尔发现了一块约39亿年前的锆石,有曾经急剧升温的迹象,或许是后期重轰炸期的标志性特征。“我们只知道,有一批锆石在那一时期发生了再结晶。考虑到恰好是在后期重轰炸期,这之间存在联系也不无可能。”她说,“但要真正确立这种关系,我们还要参照地球上其他地区的锆石发现。”

但到目前为止,我们尚未找到其他的佐证,澳大利亚科廷大学的亚伦·凯沃西(Aaron Cavosie)表示。

地球9.jpg

月球上的环形山历来是后期重轰炸期的证据之一,但在重新评估了“阿波罗”飞船的月岩样本后,人们开始怀疑,冥古宙时期的小行星轰炸究竟有没有之前所想的那么严重。

月岩

2016年,帕特里克·贝恩克(Patrick Boehnke)(现任职于芝加哥大学)再次分析了当初的“阿波罗号”样本。几十年来,这些样本一直都是后期重轰炸期理论的主要证据。贝恩克和加州大学洛杉矶分校的马克·哈里森(Mark Harrison)重新分析了氩的同位素,并得出结论:自从在月球初生时结晶以来,那些样本可能经历过多次撞击,所以才显得比实际年龄更年轻。

贝恩克说,“即便攻克了分析手段上的难关,你还面临一个问题,那便是,阿波罗飞船的取样地点,彼此都很靠近。”有一种可能是:六次阿波罗任务带回的样本都来自同一次小行星撞击,这一次撞击的喷出物布满了月球面向地球的一面。

另外,GRAIL (重力回溯及内部结构实验室)飞船和LRO(月球勘测轨道飞行器)等绕月探测器又发现了大约100个新的陨石坑,并发现,43亿年前曾出现过一个密集轰炸的巅峰期。

“轨道数据和样本数据不谋而合;各种不同类型的样本数据——月球上陨石撞击形成的玻璃珠,苏联的“月球号”样本,“阿波罗号”的岩石样本,月球陨石——也都不谋而合,它们都表明,39亿年前,不存在所谓的月球大灾变。”美国阿尔比恩学院的行星科学家尼科尔·策尔纳(Nicolle Zellner)说。

美国西南研究院的行星科学家博科专门研究小行星与太阳系的发展情况,他和其他研究人员一道,对后期重轰炸期理论作了一番修改。目前,他倾向于认为,撞击强度先是缓慢上升,继而逐渐减弱。还有的研究人员认为,后期没有大规模撞击,至于月球和其他岩质天体上的陨石坑,其实是第一个撞击期(也就是行星形成的自然过程)的遗迹。

“我们掌握了一小部分数据,我们试图从这些数据中有所发现。”博科说,“你想描绘一幅图景,但有时候,只是在捕风捉影而已。”

生命接管地球

与此同时,科学家将讨论更加宏大的问题,而不是局限于早期太阳系的情况。

如果其中一些新证据真的是原始生命的印记,那么,我们的祖先也许比我们想象中古老得多。或许,从条件容许的那一刻起,也就是当温度冷却下来,足以让液态水存在的那一刻起,生命就已经出现了。

“小时候,课本上教的是,生命形成需要几十亿年的时间。但对于这些说法,我一直找不到任何依据。”瓦利说,“我认为,在环境变得可以生存以后,在几百万年的时间里,生命就出现了,这种情况是很有可能的。站在微生物的视角,一百万年已经很长了,但在地质学上,那只是一瞬间。”

“没有什么理由说,43亿年前就不可能出现生命。”瓦利说,“没有任何理由。”

如果39亿年前没有出现灭顶之灾,或者,几次大规模的小行星撞击都集中在某一个半球上,那么,也许在地球混沌未开之时,我们最早的祖先就已经出现了。而且,这样看来,地外生命的可能性也就没有那么渺茫了。生命可能比我们想象中更加坚韧,更能经受住恶劣至极的生存条件。也许,不需要太多时间,生命就能占领一颗星球。也许,生命出现得很早、很频繁,并且在宇宙中随处扎根。不论是制造管道的微生物,还是一团粘液,那些无穷的生命形态也许太小、太过简单,难以像如今地球上的生命一样交流,但它们的真实性和鲜活性并不会因此而逊色半分。


翻译:雁行

校对:李其奇

编辑:洪漫倩

来源:Quanta Magazine 

  • 化石
  • 地球
  • 小行星
  • 生命起源
  • 岩层

造就评论0

造就  发现最有创造力的思想