編譯葉曦

早期的地球并不是生命的伊甸園，沒有清澈湛藍的海水，沒有動物和植物，那么，生命是如何在地球上出現(xiàn)的呢?

在浩瀚的宇宙中，地球看來確實是一顆獨特的星球，一顆最終由生命塑造的星球，一顆如今被60億人稱作家園的星球。然而，在大約45億年前剛剛誕生時，地球卻是一個暴烈之地，一個生命根本不可能存在之地，一個被火山熔巖和有毒氣體包裹、被隕星無情撞擊的死亡之地。那么，生命最終是如何在地球上出現(xiàn)的呢?有科學家認為，每個人體內的所有碳元素都是由彗星和隕星帶到地球上來的。也就是說：生命大廈的“磚頭”是由彗星和隕星帶到地球上來的。那么，這些“磚頭”能經(jīng)受住那么暴烈的環(huán)境考驗嗎?就算能，它們又是怎樣為生命“大廈”奠基的呢?

地球上已知最古老的化石已有大約35億午的歷史，這就是說，35億年前，在地球誕生后10億年到20億年的時間里，生命已經(jīng)在這顆星球上出現(xiàn)。現(xiàn)在，就讓我們回到那個由不可見的微生物統(tǒng)治地球、并最終改變地球歷史的時代。

生命在“地獄”中誕生

多年來，人們對生命在地球上如何起源的問題給出了各種各樣極富創(chuàng)意性的答案。17世紀，有一位學者寫下了著名的“生命配方”：把一件臟衣服放進容器，接著添加一些小麥，發(fā)酵21天，老鼠就會從中誕生。這顯然是無稽之談。不過，在地球歷史上的某一時刻，生命的確是從非生命成分中起源的。為了探尋真正的“生命配方”，我們就必須回到大約40億年前那個在今天看來全盤陌生的地球。

40億年前，年輕的太陽并沒有今天這么明亮，太陽光幾乎不能穿透主要由二氧化碳和有刺鼻氣味的硫化氫組成的地球大氣層。當時的地球大氣層比現(xiàn)在濃密，并且略顯紅色，因此當時的地球沒有藍色的天空，海洋也是橄欖綠顏色的。

在地球誕生后大約6億年的時間里，小行星和彗星頻繁地撞擊地球。這些行星際“導彈”直徑可達500公里，它們的撞擊令地球的海洋氣化，讓地球的地殼熔化?？雌饋?，在如此高溫和酸雨的條件下，一切生命都無法幸存?？墒?，科學家們現(xiàn)在相信，正是在這地獄般的環(huán)境下，生命卻在地球上誕生了。為什么呢?

今天，在地球上一些遙遠的角落，仍能找到和早期地球相似的自然條件。比如，在墨西哥南部的熱帶雨林深處，有一個充滿硫化氫氣體的地洞——庫瓦維魯茲洞，而40億年前的地球大氣層中正是被這種毒性很大的氣體所充溢?？茖W家們必須戴上防毒面具才能走進地洞。

庫瓦維魯茲洞中的硫化氫是從地下泉水中逃逸出來的，它與水中的氧結合，在洞壁上形成硫酸。由于硫化氫氣體濃度很高，你可能都聞不出它那種刺鼻的氣味。為了進入此洞，科學家必須戴上防毒面具。即使戴著防毒面具，他們也感覺十分困乏，這是因為毒氣通過人體皮膚或不易察覺的面具漏氣孔進入了人體。令人驚訝的是，就是在如此惡毒的環(huán)境中，大群單細胞細菌卻如魚得水地在這里“安居樂業(yè)”，形成了像石鐘乳一樣的“鼻涕柱”，經(jīng)檢測，其滴下的“鼻涕”酸度竟然和電池液的酸度一樣高?？茖W家們推測，“鼻涕柱”的功能就是保護這些細菌免遭硫酸的過度侵蝕。

細菌是地球上最原始和最普遍的生物體。和其他所有形式的生命一樣，細菌也會生長、繁殖和適應環(huán)境。在每個單細胞的細菌里面都有叫作“DNA”(脫氧核糖核酸)的分子，正是這個“生命密碼”讓細菌得以繁殖。庫瓦維魯茲洞簡直就是一個細菌王國，在每一個“鼻涕柱”里，都有幾百萬乃至上千萬個細菌。在庫瓦維魯茲洞的地下溪水中，科學家還發(fā)現(xiàn)了由不同種類的細菌組成的團塊，它們看上去就像是痰液般丑陋。

更令人意想不到的是，對細菌們來說，這個硫化氫洞一點也不惡毒，恰恰相反，這里是它們的“樂土”，洞中劇毒的硫化氧正是它們的“口糧”——細菌吸收硫化氫，從中獲取化學能量。早期地球的條件恐怕比庫瓦維魯茲洞要糟糕得多，但是庫瓦維魯茲洞中的細菌暗示，原始生物的確有可能在如此險惡的環(huán)境中繁榮昌盛。

生命的“磚頭”天上來

那么，最早的生命究竟來自何方呢?100多年來，科學家們已經(jīng)很清楚地知道生命是一系列合適的成分以合適的數(shù)量交互作用的結果，也已知道組成生命的元素并非像臟衣服和小麥這么復雜，而是簡單得多。事實上，從細菌到老鼠、再到你和我及所有生物，都是由氫、氧、碳、氮這四種元素組成的，它們也是宇宙中最常見的四種元素。只要以適當?shù)姆绞浇M合，這些元素就可構成生命的基本成分，而其中的頭號明星是碳，這是因為碳自身之間以及碳與其他元素之間的結合是最容易的。

有一種觀點認為，生命可能起源于碳和其他成分在早期地球苛刻條件下的結合。這一觀點最早是由美國研究生斯坦利·米勒在20世紀50年代進行驗證的。為在實驗室中模擬早期地球的環(huán)境條件，米勒用試管和燒瓶組裝了一個精巧的裝置。他在其中一個燒瓶中注滿當時被認為能代表早期地球大氣的氣體，并且把這個燒瓶與另一個裝有水的燒瓶連接，這后一個燒瓶中的水代表海洋。接著，米勒給這個裝置通電，用以模擬閃電通過早期地球大氣層時的情況。幾天后，燒瓶中突然出現(xiàn)了一些褐色的、黏乎乎的東西。經(jīng)過檢測，米勒發(fā)現(xiàn)它們是氨基酸。

氨基酸是由碳分子與其他元素聚合而成的一種化合物，是構建蛋白質和細胞的基本成分，因而也就是構成一切生物的重要成分。米勒的實驗在當時自然而然地引起了巨大的轟動。不過，今天的大多數(shù)科學家相信，早期地球上的自然條件和米勒當初在實驗中模擬的情況有很大的不同。

正如《地球誕生之謎》一文(見本刊2005年第1期)所描述的那樣，在地球歷史的24小時里，小行星和彗星對地球的轟炸從大約零點開始一直持續(xù)到了差不多凌晨3點半。隨后轟炸力度減弱，但轟炸又持續(xù)了至少1億年之久。也許你很難相信，就是在如此不穩(wěn)定的時期，生命卻在地球上找到了立足點。最近科學家在格陵蘭西部地區(qū)發(fā)現(xiàn)的證據(jù)顯示，生命可能早在凌晨4點(大約38億年前)就已在地球上存在。

格陵蘭的地質狀況十分獨特，這里的巖石年齡在37億年至39億年之間，它保留著迄今已知的地球上最早期地質過程的一些記錄。但是，這些巖石是如此古老，就算它們曾經(jīng)包含有什么化石，這些化石也早已被早期地球的高溫、高熱環(huán)境毀壞殆盡。因此，科學家們在這里所尋找的并不是化石，而是遠古細菌或其他微生物在巖石上留下的“化學指紋”。

如果生物的確在38億年前就已在地球上存在，那就說明生命是非常幸運的，因為它逃過了地球所遭遇的自己有史以來最猛烈的轟炸。在這次轟炸中，一個像火星般大小的巨型巖石沖撞了地球，地球的外層因此氣化，碰撞產(chǎn)生的殘骸則聚合成了月球。這次碰撞的力度是如此之巨大，如果此前地球上存在過任何構筑生命大廈的“磚頭”的話，這些“磚頭”都必定會在這次大碰撞中全軍覆滅。這就不由得讓人猜測：“生命大廈”的“奠基石”并不是在地球上鑄造的，而是來自于外太空。

這里所指的太空并不遙遠，它就位于地面之上20公里以外?？茖W家們設計了一項實驗，試圖以此查明太空中是否存在構筑生命大廈的磚頭。事實上，每一年都會有40000噸彗星和小行星的殘片降落在地球上，只不過其中大多數(shù)殘片的直徑都不超過1毫米。我們將它們吸入體內，我們每天所吃的食物中也肯定有它們，可是要想找到它們卻很難。換句話說，只有在那些很特殊的地方才能發(fā)現(xiàn)它們。

為了查明宇宙塵埃中是否包含著生命的成分，科學家必須獲取未被地球大氣層污染過的空間塵埃樣本。為了獲得僅僅幾毫克的宇宙塵埃，科學家飛到地球大氣層的邊緣去收集太空塵埃。飛機的機翼上裝有黏性的收集器。收集到樣本后，科學家把塵埃顆粒切割成不到人的頭發(fā)絲直徑十分之一的大小。結果發(fā)現(xiàn)，這些微小的顆粒中的確包含著大量“生命之磚”——已有45.5億年歷史的礦物質、碳和有機材料。

事實上，太空塵埃并不是“生命之磚”的惟一可能來源。在宇宙中一片被稱為“小行星帶”的地帶，有大量太陽系形成后所遺留下來的殘骸。有時候，一些其中包含著金屬和巖石的殘骸會落到地球上，給地球帶來意外的禮物。1969年，在澳大利亞的默齊森鎮(zhèn)，就從天上降下了一塊這樣的隕石?？茖W家對這個天外來客進行了長達半年之久的分析，結果在其中發(fā)現(xiàn)了氨基酸。

這也是首次在外太空物質中發(fā)現(xiàn)復雜的有機化合物。假如類似的隕石很常見，它們就能給早期的地球帶來足夠的“生命之磚”。也就是說，你體內和你的食物中的一切有機物、一切的碳都是由隕星帶到地球上的。從這個意義上講，這些隕星就像是一艘艘“生命密封艙”，它們穿過地球大氣層，落到地面上，然后打開艙門，將“生命之磚”卸給地球。

迄今為止，人們已在隕石中發(fā)現(xiàn)了超過70種的氨基酸，其中有許多是組成蛋白質的基本成分，而活細胞正是由蛋白質組成的。在地球早期的“大轟炸”時期，也許有數(shù)百萬顆大隕石落到地球上，從而為地球遍撒生命的種子。尤其是那些巨大的彗星，更可能是效率很高的生命使者。一些彗星的體積竟然有一座大山那么大，再加上這些“臟雪球”中包含著大量的水冰和巖石，因此它們可能承載著大量的生命種子。

彗星和流星對地球的撞擊力量是非常驚人的。大約在50000年前，一顆隕星在當今美國的亞利桑那州撞出了一個直徑達1600米的大坑，坑的深度相當于一座60層的摩天大樓?？磥磉@好像還不夠，這次撞擊的力量之大，竟然在一瞬間就把那顆隕星給氣化掉了。要知道，那顆隕星可重達30萬噸吶!你肯定會提出這個疑問假如“生命之磚”的確是由彗星和隕星帶來的，那么這些小小的“磚頭”如何挺得過如此暴烈的“轟炸式登陸”呢?

為了回答上面的問題，科學家采用一部巨型氣槍來模擬彗星撞地球時所釋放出來的極度高壓和高溫，以查明“生命之磚”在這樣的碰撞中是幸存下來，還是粉身碎骨。在實驗之前，科學家們預測那些無法幸存的“磚頭”多半會“碎尸萬段”。不料，實驗結果卻讓他們大跌眼鏡。

在實驗中，氣槍以每小時8000公里的速度轟擊代表彗星內部所藏有機分子的樣本。樣本中包含由五種氨基酸組成的溶液，其中兩種存在于每一種活細胞中。溶液被注入一個鋼艙里，氣槍則向鋼艙發(fā)射強力沖擊波，以此模擬遭遇彗星撞擊時的極度高壓。要知道，海底的壓強也只不過才100個大氣壓，而實驗中的壓強則高達幾十萬乃至上百萬個大氣壓。

實驗完畢，鋼艙完好?？墒?，艙中的氨基酸會怎么樣呢寧曾經(jīng)清澈的氨基酸溶液變成了焦褐色。經(jīng)檢測，艙中的物質不僅經(jīng)受住了極度的高壓，而且轉化成為了另一種化合物：由氨基酸、碳和其他一些基本元素聚合成的更大、更復雜的分子——縮氨酸。

縮氨酸鏈接在一起，就組成了蛋白質，蛋白質則構成了我們身體內的一切細胞。不過，非生命成分究竟是怎樣躍變?yōu)閾碛蠨NA、能夠自我復制的生物的呢寧這個奧秘至今未能被解開，至今也從未有人在實驗室中完成過這一飛躍性的轉變。雖然我們還遠遠未弄清生命之火最初是如何被點燃的，但是這并不妨礙我們探索“生命最早立足于地球上哪個地方”這一謎題。

生命最早躲在地下

正因為早期的地球還處在小行星和彗星的“淫威”之下，所以非生命物質向生物的飛躍性轉變或許就不是發(fā)生在地面之上，而是發(fā)生在相對安全的地面之下。為證明這種推斷是否正確，科學家下到了地球上最深的礦井之一，南非的一座礦井下，調查微生物是否能夠在地面下如此的深度存活。

科學家花了45分鐘時間，才到達了位于地面下3500米的礦底。這里的巖石溫度達到了49攝氏度，氣壓則是地面的兩倍，可得的養(yǎng)分卻少之又少——很明顯，這里根本不適宜人類生存。假如這里有微生物，那么它們根本無法依靠陽光進行光合作用而生存，而是必須在伸手不見五指的漆黑環(huán)境中找到另一種賴以生存的途徑——從巖石所包含的水和礦物質中吸取化學能。

科學家請求礦工鉆探礦石，以獲取礦石中包含的古代水樣。經(jīng)檢測，這些礦石的年齡在兩億年以上，因此這些水也在礦石中與世隔絕了兩億年以上。取得水樣后，科學家立即對它進行檢測，結果發(fā)現(xiàn)，其中的確生活著大量的微生物，而且這些家伙竟然是以一系列令人不可思議的氣體為食。在地面下如此深度，蘊藏著豐富的甲烷、乙烷和丁烷氣體，它們就是生活在這里的微生物的“點心”。當然，這些“點心”的營養(yǎng)價值太低，微生物們可以從中得到的能量太少，僅夠滿足它們每千年只分裂、繁殖一次的能量需求。但即便如此，這個例子也暗示出在早期地球的地面下，微生物的確能避開地面之災，將生命的火種傳遞下去。

地殼也可能不是生命能借以規(guī)避天地大沖撞的惟一避難所，另一個避難所可能就是海洋。早期地球上的火山活動非常劇烈，來自地下極深處的化學物質一直在被噴進海水中。即使在今天，海洋生物學家也常常在海底發(fā)現(xiàn)火山噴口。盡管這些噴口及附近的溫度很高，海水的酸性很強，并且暗無天日，各類生物卻在這里繁衍生息。位于此處食物鏈底部的微生物，正是以火山噴出的劇毒硫化氫氣體為生?？茖W家說，在早期的地球上，原始生物有可能就生活在類似的環(huán)境中，從這里的水、礦物質和熱能中獲取化學能量?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，如今在這些地方找到的生物在基因上同一些古代生物很相近。感謝微生物!

到了大約35億年前，即地球24小時歷史中的早晨5時，小行星和彗星對地球的密集型猛烈轟炸終于停止，微生物也終于能夠在地下、海底或其他各類避難所以外的地方自由地生活了。一旦到達地球表面，生命就有了另一大能量來源：太陽。在地面上，微生物進化出了一種綠色素——葉綠素。有了葉綠素，微生物就能抓住陽光，并利用陽光來把二氧化碳和水轉化成食物，這就是“光合作用”，這一巧妙的發(fā)明讓一些細菌能夠幾乎沒有限制地生長、繁殖。直到今天，光合作用也是所有綠色植物的求生方式。

隨著地球的冷卻，這新一代的細胞開始向海洋挺進。

當時的地球上可能遍布綠色的黏土，由此引發(fā)了地球歷史上最大的一次轉變。有了太陽光和光合作用的推波助瀾，生命就能向全球蔓延。在澳大利亞西部的遙遠一隅，隱藏著這次轉變的重要線索。這里有一些在地質學上被稱為“疊層”的圓丘狀結構，是由微生物在成千上萬年時間里一層一層累積起來形成的地貌，這些微生物也許和幾十億年前統(tǒng)治地球的微生物相似。在附近那些如今了無生機的山頭上，則存在著被相信是遠古微生物的證據(jù)。

這里的巖石已經(jīng)保持35億年未變。因此，走在這里也就是走在35年前的地球上。一組科學家在這片荒野中待了好幾個月，仔細研究此地的地質地貌，并且制作分類地圖。在其中一個地點，他們取得了可能是迄今為止最大的地質學發(fā)現(xiàn)之一——世界上最早的化石。這些已有35億年歷史的化石是由疊層組成的，各層之間界限分明。比如，有一層是黑色的，結構上呈現(xiàn)出起皺的特點；緊挨著的第二層則寬、圓一些，也沒有那么皺。這些疊層最可能的形成原因就是微生物的生長。

緊接著，科學家又在附近發(fā)現(xiàn)了擁有水波紋痕跡化石的疊層，這暗示它們可能是在淺海底形成的。也就是說，和現(xiàn)代疊層一樣，這些古代疊層也是由微生物形成的。事實上，有生命的部分只是疊層頂部的一個薄層，這個薄層是由被稱為“氰菌”的藍綠色細菌構成的。

氰菌通過光合作用來收集太陽能，并分泌黏性物質包裹自己，由此避開紫外線輻射。一旦一粒塵埃或沉積物漂到氰菌頭上，氰菌就乘機“搭便車”——遷移到水面去吸收陽光。由此形成的沉積層——活的疊層每年只長高不到半毫米，但億萬年來這種生長生生不息。令人驚訝的是，雖然每個氰菌的個頭是那么的微不足道，但它們最終形成的疊層相對地卻是如此龐大，兩者的大小之比就像是由一個個的人組成一幢高150千米、長和寬各為70千米的超級摩天大廈。

隨著時間的推移，疊層蔓延至全球。古氰菌進行光合作用的一種“副產(chǎn)品”(或者說是“廢氣”)就是氧氣。這些氧氣首先被海洋吸收，并且在那里與從海底火山噴出的鐵結合成氧化鐵粒子，落到海床上。在接下來的好幾百萬年中，地球幾乎全被“銹蝕”。

或許還有其他因素在起作用，但不管怎樣，所有的鐵最終都被氧化，一層一層地累積起來，形成了地球上最有價值的礦藏：鐵礦。澳大利亞西部的鐵礦是全球最大的鐵礦之一，這里的鐵最早就是在原始海洋的海床上沉積起來的。每個星期，人們都在這里挖掘50萬噸重的鐵礦石，用來煉鋼造汽車、建大樓。在距離此地不到50公里的卡里基里山谷，在更原始的狀態(tài)下保存著成千上萬層遠古鐵礦，其中各層的形成時間和氧化鐵含量都不同，這是因為隨著季節(jié)變換和水溫變化，氰菌的產(chǎn)氧量也會變化。事實上，全球各地有大量以類似的方式累積起來的鐵礦。

在地球的24小時歷史中，上述過程一直持續(xù)到了13時。最終，由氰菌產(chǎn)生的氧開始在地球大氣層中堆積。這一過程很緩慢，但最終它卻改變了地球。在接下來的大約8個小時里，微生物將大氣層中不到1％的氧含量提高到了今天的21％。這時的時間是21時。

說起來這也許令人難以置信，但是如果沒有氰菌，就肯定不會有氧氣，地球就仍舊會被毒氣籠罩，也就永遠不可能出現(xiàn)動植物和人類。氧氣的另一個作用就是讓生物免遭太陽紫外線輻射的傷害，這是因為大氣上層的臭氧層能夠抵擋紫外線輻射。正是由于受到臭氧層的保護，生命形式才能很快變得更多樣、更復雜。在地球歷史的24小時里，只用了最后3個小時，地球上現(xiàn)有的一切物種就形成了。

最早的多細胞生物是在21時06分出現(xiàn)的。接著，出現(xiàn)了魚類、昆蟲和爬行動物。到大約22時50分時，恐龍統(tǒng)治了地球。首批靈長類動物出現(xiàn)在23時40分，在最后的30秒才有了人類。也就是說，在地球歷史的最后10％時間里地球上才出現(xiàn)了肉眼可見的生命形式?；?0億年至20億年時間，原始微生物所產(chǎn)生的氧氣數(shù)量才足以改變整個地球大氣層。正是因為細菌們長期不懈的辛勤工作，才為我們所熟悉的多細胞生物——動植物以及這些動植物所賴以生存的環(huán)境的出現(xiàn)奠定了基礎。

總而言之，微生物統(tǒng)治地球達30億年以上，也就是地球歷史的三分之二。正是這些小小的生物體改變了整個地球的面貌，要是沒有它們，包括人類在內的一切復雜生物就根本無從談起。所以我們要說：感謝微生物!