第二章
了不起的原核生物

第一節
生命乍現

在上一章里，我們敘述了生命產生的“前期過程”，包括構成生命的元素和分子在宇宙中的形成、自我催化系統的出現、原始的細胞結構以及RNA作為生命最初分子的核糖核酸。從宇宙中數量極其巨大的行星和衛星的存在，我們可以預期生命的出現很可能是一個必然的現象，地球上生命的形成及其發展則提供了一個極好的例子。

生命的前期分子是在什么時候演變成為地球上最初的生命的？換句話說，地球上的生物是何時出現的？這個問題看似簡單，回答起來卻非常不容易。最初形成的生命一定非常微小，構造簡單，它們不像后來出現的大型生物那樣，有骨骼、牙齒那樣比較容易保存的組織，而只是由膜包裹的一些有機物。它們能夠形成化石，保留到現在嗎？

這個難題被科學家用很聰明的辦法解決了。藍細菌（Cyanobacteria）是一類可以進行光合作用的單細胞生物，在淺水處可以聚集，在砂石上形成菌膜。這些被菌膜黏附的沙子由于菌膜的覆蓋，可以免受水流的沖刷，因而能夠形成對應的結構，例如菌膜被水流掀起時，沙子就會和菌膜一起卷成筒狀結構。菌膜被沙掩蓋，上面又可以長出菌膜。這樣長期反復地沉積，就會形成具有多層結構的疊層石（Stromatolite）。目前在地球上的許多地方，疊層石還在生成。如果我們在古代的沉積巖中發現疊層石和類似卷筒那樣的結構，就可以推斷出生命在這些沉積巖中的存在。

帶著這個想法，美國科學家諾拉·諾夫克（Nora Noffke）在澳大利亞西部皮爾巴拉沉積巖（Pilbara terrane）中發現了疊層石，并且在這些結構中發現了可能是由菌膜卷曲而形成的筒型結構（圖2-1）。離疊層石稍遠的地方就沒有這些結構，說明它們很可能是由生物因素形成的。皮爾巴拉巖層的形成年代在35億年以前的太古代（Archaean eon），如果這些結構真是由當時的生物留下的，那就說明生物在地球上至少有35億年的歷史。用同樣的方法，諾拉·諾夫克在南非的蓬戈拉超群（Pongola Supergroup，29億年前形成）中也發現了類似的結構。

不過這還只是間接的證據，還不能排除這些結構是由某些人類尚不知道的自然機制形成的，所以有可能只是在形態上和現代形成的疊層石相似。要證明這些結構的確是由生物形成的，還需要更多的證據。由于形成疊層石的藍細菌能夠進行光合作用，要從空氣中獲取二氧化碳，再利用二氧化碳中的碳元素來合成自身的有機物，是不是可以從這里找到線索呢？科學家研究了光合作用過程中生物獲取碳元素的過程，找到了一個辦法，那就是碳元素的同位素分析。同位素（isotope）是原子核中具有相同的質子數（所以原子序數相同），而中子數不同的元素形式。地球上的碳有三種同位素，分別是碳-12，碳-13、碳-14（碳后面的數字為相對原子質量，大約是質子數加中子數），其中絕大部分是碳-12，占99%，其次是碳-13，占約1%，而碳-14只有痕跡量。生物在進行光合作用時，對這些碳同位素并不是“一視同仁”的，而是“偏愛”最輕的碳-12。這樣，在生物體內的有機物中，碳-13/碳-12的比例就會比自然環境中低。如果在發現菌膜痕跡的地方又發現碳-13的比例低于環境中的，那就能夠有力地證明這些結構是來源于生物的。

諾夫克測定了菌膜遺跡處的碳同位素比例，再和周圍的碳同位素比例相比較，發現菌膜遺跡處碳-13/碳-12的比例的確明顯比周圍環境中低，這是對疊層石是由生物原因形成的思想有力的支持。另一位美國科學家多羅西·阿赫勒（Dorothy Oehler）在南非的翁維瓦特群（Onverwacht Group）測定了沉積巖不同深度中碳-13和碳-12的比例，發現中層和深層的同位素比例和其他非生物來源的物質一樣，而具有生物痕跡的表層卻有異常低比例的碳-13。翁維瓦特群的沉積巖也有35億年的歷史。說明生物的出現也至少在35億年之前。用這些方法測定到的生物早期的痕跡還在南非的無花果樹群（Fig Tree Group）、格陵蘭的伊蘇阿（Isua）地區、澳大利亞西部的瓦拉伍拉群（Warrawoona Group）等處發現。

藍細菌是已經可以進行光合作用的（因而已經是比較復雜的）生物，自身營養充足，可以在淺水區大量繁殖形成菌膜，也就比較容易留下化石或痕跡。更原始的生物用其他方法獲得的能量較少，可能只以低密度的單細胞存在，也就難以形成化石或留下痕跡。由此推斷，最初的，更簡單的生物出現的時間應該比35億年前早得多。地球是大約45億年前形成的，而地殼的形成大約是在44億年前，所以從地殼的形成到生命的出現，中間應該不到10億年的時間。