第二章
了不起的原核生物

第一節(jié)
生命乍現(xiàn)

在上一章里，我們敘述了生命產(chǎn)生的“前期過(guò)程”，包括構(gòu)成生命的元素和分子在宇宙中的形成、自我催化系統(tǒng)的出現(xiàn)、原始的細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及RNA作為生命最初分子的核糖核酸。從宇宙中數(shù)量極其巨大的行星和衛(wèi)星的存在，我們可以預(yù)期生命的出現(xiàn)很可能是一個(gè)必然的現(xiàn)象，地球上生命的形成及其發(fā)展則提供了一個(gè)極好的例子。

生命的前期分子是在什么時(shí)候演變成為地球上最初的生命的？換句話說(shuō)，地球上的生物是何時(shí)出現(xiàn)的？這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，回答起來(lái)卻非常不容易。最初形成的生命一定非常微小，構(gòu)造簡(jiǎn)單，它們不像后來(lái)出現(xiàn)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(jī)物。它們能夠形成化石，保留到現(xiàn)在嗎？

這個(gè)難題被科學(xué)家用很聰明的辦法解決了。藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria）是一類可以進(jìn)行光合作用的單細(xì)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(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，例如菌膜被水流掀起時(shí)，沙子就會(huì)和菌膜一起卷成筒狀結(jié)構(gòu)。菌膜被沙掩蓋，上面又可以長(zhǎng)出菌膜。這樣長(zhǎng)期反復(fù)地沉積，就會(huì)形成具有多層結(jié)構(gòu)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?cè)诠糯某练e巖中發(fā)現(xiàn)疊層石和類似卷筒那樣的結(jié)構(gòu)，就可以推斷出生命在這些沉積巖中的存在。

帶著這個(gè)想法，美國(guó)科學(xué)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(fā)現(xiàn)了疊層石，并且在這些結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了可能是由菌膜卷曲而形成的筒型結(jié)構(gòu)（圖2-1）。離疊層石稍遠(yuǎn)的地方就沒(méi)有這些結(jié)構(gòu)，說(shuō)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(jié)構(gòu)真是由當(dāng)時(shí)的生物留下的，那就說(shuō)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(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)。

不過(guò)這還只是間接的證據(jù)，還不能排除這些結(jié)構(gòu)是由某些人類尚不知道的自然機(jī)制形成的，所以有可能只是在形態(tài)上和現(xiàn)代形成的疊層石相似。要證明這些結(jié)構(gòu)的確是由生物形成的，還需要更多的證據(jù)。由于形成疊層石的藍(lán)細(xì)菌能夠進(jìn)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(lái)合成自身的有機(jī)物，是不是可以從這里找到線索呢？科學(xué)家研究了光合作用過(guò)程中生物獲取碳元素的過(guò)程，找到了一個(gè)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(zhì)子數(shù)（所以原子序數(shù)相同），而中子數(shù)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(shù)字為相對(duì)原子質(zhì)量，大約是質(zhì)子數(shù)加中子數(shù)），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(jìn)行光合作用時(shí)，對(duì)這些碳同位素并不是“一視同仁”的，而是“偏愛(ài)”最輕的碳-12。這樣，在生物體內(nèi)的有機(jī)物中，碳-13/碳-12的比例就會(huì)比自然環(huán)境中低。如果在發(fā)現(xiàn)菌膜痕跡的地方又發(fā)現(xiàn)碳-13的比例低于環(huán)境中的，那就能夠有力地證明這些結(jié)構(gòu)是來(lái)源于生物的。

諾夫克測(cè)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(fā)現(xiàn)菌膜遺跡處碳-13/碳-12的比例的確明顯比周圍環(huán)境中低，這是對(duì)疊層石是由生物原因形成的思想有力的支持。另一位美國(guó)科學(xué)家多羅西·阿赫勒（Dorothy Oehler）在南非的翁維瓦特群（Onverwacht Group）測(cè)定了沉積巖不同深度中碳-13和碳-12的比例，發(fā)現(xiàn)中層和深層的同位素比例和其他非生物來(lái)源的物質(zhì)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(shuō)明生物的出現(xiàn)也至少在35億年之前。用這些方法測(cè)定到的生物早期的痕跡還在南非的無(wú)花果樹(shù)群（Fig Tree Group）、格陵蘭的伊蘇阿（Isua）地區(qū)、澳大利亞西部的瓦拉伍拉群（Warrawoona Group）等處發(fā)現(xiàn)。

藍(lán)細(xì)菌是已經(jīng)可以進(jìn)行光合作用的（因而已經(jīng)是比較復(fù)雜的）生物，自身營(yíng)養(yǎng)充足，可以在淺水區(qū)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(xì)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(jiǎn)單的生物出現(xiàn)的時(shí)間應(yīng)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(xiàn)，中間應(yīng)該不到10億年的時(shí)間。