生命的“黑匣子”岁月

　　整整数十亿年，地球生命几乎没留下任何痕迹，但经过科学家巧妙“侦查”，这段丢失的历史如今正在浮现。
　　正像一个人成年后通常回忆不起六岁之前的事情，生命早期的历史对于我们来说也几乎是一片空白。大多数关于地球生命的故事是从5亿多年前起头的。那时，发生了一场叫“寒武纪大爆发”的事件，几乎所有现存动植物的祖先一下子都如变戏法般地涌现出来。之后，就是一个为人熟悉的故事：鱼类、两栖类、昆虫、陆生植物繁衍进化，恐龙兴衰，最终人类出现但它仅占生命历史的八分之一，其余时间对于我们仍然是个“黑匣子”。
　　解开“黑匣子”之谜的困难在于，寒武纪之前的生命几乎没留下化石痕迹。极少的化石遗迹也只是一些微小的模糊斑块，不愿向我们吐露更多的秘密。然而，近几年来，聪明的研究人员发现了揭开生命“黑匣子”岁月的新方法。
　　最早的生命比想象的要早得多
　　先是有了地球，它是在大约45。4亿年前由岩石和尘埃形成的。不久之后地球被一颗小行星（或是几颗）撞击，撞击将大块物质抛入太空，形成月球。地球之水是生命不可缺少的它可能是彗星带来的，或者来自星际空间。这一切构成了生命上演的舞台。
　　生命是什么时候开始的？确切时间并不清楚。目前无可争议的最古老痕迹是澳大利亚西部的叠层石。这些保存下来的微生物“厚垫”已有34亿年的历史。但这还不是最早的生命，因为它们的细胞已经有复杂的膜结构。
　　目前有争议的化石证据，则可追溯至41亿年前。这个化石证据之所以有争议，部分原因是人们过去普遍认为，地球在40～38亿年前被小行星撞击过，使得生命无法宜居然而，这个看法已经开始改变。过去几年的模拟表明，大型陨石在从地球形成到大约30亿年前，一直以低概率、断续的方式撞击地球，而不是短时间的密集轰炸。这样的撞击尽管可能会给生命制造点麻烦，但不会把它们彻底抹去。
　　这有助于解释为什么2018年8月当一项新的计算将生命起源追溯至38亿年前时，人们几乎没有反对。英国的戴维德皮萨尼和他的同事收集了102个现存物种的基因数据，结合化石记录，计算出进化的速度，使他们能够估计生命史上一些关键事件是何时发生的。其中之一是地球上所有生物物种最近的共同祖先（英文缩写LUCA）出现的时间。他们计算出，LUCA至少生活在39亿年前；而最早的有机体甚至出现得更早非常接近地球历史的开端。这暗示着生命的出现可能比人们想象的要容易得多。
　　第一次生命的大分化
　　我们对于LUCA的情况也已略有所知。LUCA可能拥有355个基因。这些基因表明它生活在炎热地带，用二氧化碳制造醋酸盐。LUCA作为有机生命虽然已经比较复杂，但仍缺少一些关键的功能，比如它不具备制造氨基酸（蛋白质的主要成分）的机制，因此氨基酸很可能是从环境中摄取的。
　　在接下去的10亿年里，生命在分化。根据皮萨尼的研究，第一次大分化发生在至少34亿年前。它产生了两种微生物细菌和古细菌。它们尽管在显微镜下看起来几乎无法分辨，但具有明显不同的特征。特别是，许多古细菌已经进化出在极端条件下（如高温）生存的本领。古细菌养活自己的方式也不同寻常，例如一种产甲烷菌利用二氧化碳或醋酸来获取能量，将甲烷作为废物排泄出去。后面我们会讲到，这种产甲烷菌在地球生命史上扮演了重要角色。
　　科学家计算出，产甲烷菌出现在大约35亿年前。它出现得如此之早实在令人惊讶，但是通过分析被锁在35亿年前的岩石中的气泡，研究人员发现里面确实含有甲烷。此外，这也符合当时正在发生的全球性气候变化。大气模型表明，那时地球上有液态水，但问题是，那时太阳辐射比现在要弱，单靠太阳光似乎不足以使冰融化。但大气中有甲烷，地球保暖就不成问题了，因为甲烷是一种强大的温室气体。
　　因此，看起来古细菌是第一种影响地球气候的生物。通过使地球保持温暖，它们也支撑了原始生态系统的其余部分。
　　氧气的出现对全球产生影响
　　产甲烷细菌的出现是革命性的，但这种代谢方式，食物转化成能量的效率很低。后来，一些古细菌进化出了使用硫磺的能力，硫磺是一种更好的能源。再后来，一些细菌开始使用更高效的东西：氧气。但只有当空气中有氧气时，这才可能。那氧气是从哪里来的呢？
　　在地球历史的前20亿年里是没有氧气的。相反，氧元素被锁在矿物和其他化学物质中，因为它很容易与不同的元素发生反应。但这一切在24亿年前随着一个“大氧化事件”而改变了。驱动力来自蓝藻的繁盛。蓝藻利用太阳光的能量进行光合作用。事实上，其他细菌在大约35亿年前就已进化出光合作用的能力。但蓝藻是第一个利用太阳能将二氧化碳和水合成糖，释放出氧气的生物。这样一来，它们就成了第二种对全球产生影响的生物。
　　这个时候空气中有氧气了，但水平远远低于今天，并在此后的10多亿年里保持着低水平状态。尽管如此，氧气还是引发了地球历史上最引人注目的事件之一严重的冰期，以至整个（或几乎整个）地球都被冻住。第一个“雪球地球”是在空气中出现氧气后不久开始的，一直持续到21亿年前。首要原因是大气中的氧气与产甲烷菌产生的甲烷发生反应，削弱了甲烷的温室效应。第二个原因是第一块大陆的出现。陆地比海洋反射更多的太阳光，能截留下来的太阳热量就减少了。最后一个原因是，陆地上岩石的风化（如石灰岩的形成）消耗了空气中另一种温室气体二氧化碳。因为这些岩石都是从高温的地幔中涌出来的，在高温条件下，有些岩石是以生石灰的形式存在，但它们露出地表后，就会吸收水分和二氧化碳变成熟石灰。
　　我们倾向于认为氧气是生命所必需的，但在一开始它是一种致命的污染物。即使现在，氧气对厌氧菌也是有毒的，因此它可能对许多古代微生物都是致命的。它在空气中的积累可能导致了第一次生命的大规模灭绝。
　　真核生物的出现
　　在这场令人毛骨悚然的剧变之后，出现了一段平静的时期或者不过是我们自己如此认为。传统的观点认为，随着气候的稳定和氧气含量的降低，进化停滞了。生命的历史被认为是如此沉闷，以至于18亿到8亿年前这段时期被称为“无聊的10亿年”。事实上，这样说不对。这是生命最大的两次飞跃发生的时期。
　　第一次大飞跃是出现了一种被称为“真核生物”的新生物体。这发生在18亿年到12亿年前，占据了“无聊的10亿年”中大部分时间。真核细胞比以前的任何细胞都更大、更复杂。它们有复杂的内膜；它们的DNA储存在一个被称为“细胞核”的小室中；它们含有小香肠状的线粒体，线粒体为它们提供能量。只有真核细胞才能形成复杂的多细胞生物，如植物、昆虫和人类，而不论之前的细菌还是古细菌，都不能以如此精巧的方式连接在一起。所以，真核生物的起源是生命史上最重要的事件之一。
　　真核生物不是通过竞争（生存竞争是进化的推动力）而是通过合作产生的。在某一时间点，一个古细菌吞下了一个细菌，然后两种生物一起生活，细菌变作第一个线粒体。关于这件事是如何发生的，目前还存在争议。通过研究最近发现的一组被称为“阿斯加德古细菌”的有机体，我们可能很快就会解开这个谜。然而，复杂生命的出现似乎只发生过一次，因为地球上所有的生命都拥有一个共同的祖先，这表明，进化出复杂生命是一个非常偶然和罕见的事件。如果是这样，那意味着，尽管其他行星也可能是单细胞生物的家园，但不一定能进化出复杂生命。
　　多细胞生物进化缓慢
　　随着真核生物的进化，地球上的生命可能又经历了一次飞跃，成为多细胞生物。那么，那是什么时候发生的呢？直到1950年代，已知的最古老的多细胞生物化石证据都来自始于5。41亿年前的寒武纪。后来，一群英国中学生发现了一块化石，化石显示的是生活在6。35～5。42亿年前的一种古怪的多细胞生物。这种多细胞生物的性质一直是个谜。
　　然而，即使这种古怪的多细胞生物也不是第一个多细胞生物。2016年，我国的一支地质考察队在岩石上发现了一组矩形和舌形的斑块，最长达30厘米。它们看起来像一群原始的海藻，它们的年龄可追溯至15。6亿年前。这些细胞排列十分紧致，这强烈暗示它们属于同一个多细胞生物。后续研究发现，直到大约15。7亿年前，这种多细胞生物后来所生活的海洋中氧含量一直较低，然后才开始上升。这些生物刚好在氧气含量上升期出现，这似乎又表明，海水中氧含量的增加是促使它们变大、变复杂的原因。
　　从发现于我国的15。6亿年前的这种多细胞生物进化到英国中学生发现的那种古怪多细胞生物，时间上花去了近10亿年，而形态还是那么原始！多细胞生物在最初的10亿年里为什么进化得如此缓慢呢？
　　一种可能是，必须等氧气含量进一步上升生命结构才能变得复杂；另一种可能是期间经历了第二个雪球地球时期（发生在7。2亿年至6。35亿年前），在天寒地冻的条件下，繁衍速度慢下来，进化的速度也就减慢了。
　　上述这些，就是迄今我们所获得的关于生命的“黑匣子”岁月的知识。虽然谜团没有被我们完全解开，但我们知道的已经比几年前多得多了。很明显，如果没有进化史上最初的35亿年发生的一系列创新，我们今天所知道的生命将不复存在。
　　狂轰滥炸何时了？
　　在太阳系中，小行星带以内的区域叫内太阳系。处在内太阳系的行星有水星、金星、地球和火星。过去流行的一个观点是，在太阳系形成的早期，内太阳系内的行星曾在相当长一段时间内受过小行星和彗星的密集轰炸。
　　这个看法倒也合情合理。因为太阳系在形成之初，就像一座刚建造的房子，里面充满了散乱的东西（如小行星），这些东西终究要有个去处，所以不是落到太阳，就是落到这些块头较大的行星上。只是这阵大规模的狂轰滥炸持续了多久，何时结束的呢？
　　搞清这一点对于了解地球生命的起源尤为重要，因为很显然，小行星狂轰滥炸下的地球环境是不适宜生命生存的，所以地球生命的历史，应该在此之后。
　　那么，这一时期是什么时候结束的呢？
　　过去的说法是，这场“大轰炸”持续到大约38亿年前。但最近的研究表明，小行星和彗星撞击内太阳系行星的规模和频率在44。8亿年前就已开始下降，到42亿年前，火星和地球就已经适宜生命生存了。这比原先设想的早了5亿年。