早期地球上的生命是怎么來的？

地球最早出現生命可能是在38億年前，那時的生命和隨后的30多億年期間的所有生命都是微生物。我們所知的最古老的化石是有33億～35億年歷史的瓦拉翁納巖石群巖石中的微生物形態，這些巖石是西澳大利亞變質沉積物。這些化石也許是由生長在淺海水域附近的微生物演變而成的，它們屬于一組類似于藍綠細菌（藍綠海藻）的微生物的一種，具有很強的感光性。如果這種解釋正確的話，那么光合作用（植物利用陽光把二氧化碳轉變為食物和能量，從而產生其副產品氧氣的過程）早在38億～25億年前的太古代就已廣泛存在了。這說明早期的有機物為演化中的大氣提供著氧氣。

瓦拉翁納的微生物化石種類繁多而復雜，這說明當時的生命已發展了一段時間。事實上，生命活動早在瓦拉翁納巖石沉積前就開始了。從已知的最古老的伊蘇阿綜合體（伊蘇阿綜合體是西南格陵蘭最古老的結晶巖塊）的沉積巖中取得一些證據來看，雖然這些古老的沉積巖已嚴重變質，通過同位素測年法還是能確定它有38億年的歷史。這些巖石中含有碳，而碳同位素 12C與 13C的比率說明了其生物起源。我們所有能證明遠古時代生命的證據僅此而已。

研究過去

這里所要介紹的史前生物，在數萬年甚至數百萬年前的地球上生存過。但沒有任何人看見過它們活著的樣子，我們了解它們，僅憑它們的骨頭、牙齒或其他殘余部位的化石。通過研究化石，古生物學家能推測出這些史前生物長什么樣子，以及它們如何生活。

關于史前動物的信息不僅可從實體化石中獲取，而且還可從遺跡化石中探尋。遺跡化石保存的不是生物遺體，而是它們活動的遺跡或遺物。遺跡化石包括鉆跡、移跡、足跡，是動物通過爪或牙齒留下的印跡，還包括糞便、蛋殼等。人們對多數史前動物的認識，是通過它們留下的化石殘片，例如幾個骨頭碎片來實現的。

恐龍是一組史前爬行動物。科學家經常使用相似的恐龍化石，“補填”部分缺失的骨頭、牙齒，甚至頭顱、肢體或尾巴等。

諸如蜥蜴等現代爬行動物柔軟的身體部分，常被用作重建恐龍肌肉和內臟的樣本指南，這些都補加到了化石上。

古生物學家偶爾會發現某個動物迅速風干的身體殘肢，有相當多動物肢體是以木乃伊化石的形式被保存下來的。

大多數化石是骨頭或者牙齒，因為這些部位很堅硬，比柔軟的肌體更容易保存。在超過數百萬年的時光流逝中，原先的生物體腐爛，并且逐漸被周圍巖石的礦物質所取代。化石可能非常重，且通常都很脆。不過有時，也能發現皮膚或者肌肉形成的化石。

古生物學家通過比較化石與現存動物的骨頭來進行研究。他們尋找與化石牙齒形狀相似的動物。兩種動物擁有相似的牙齒，表明它們可能吃類似的食物。

肌肉在骨頭上留下的印記，能夠展現恐龍多么強壯，還能讓人看出它正朝哪個方向移動腿和頸，以及身體其他部位。

古生物學家必須從周圍的巖石，即被稱作母基的巖石中取出化石。有些巖石可以用化學方法溶解剝離開，而大多數巖石則需要用金屬鉤和鑿刀才能刮離出來。

最易脆的化石是糞便化石。已知世界上最大的糞化石是一種蜥腳類亞目恐龍留下的，新鮮時可重達10千克。

古代微生物

幸運的是，古代微生物的化石并不微小，其結構都是肉眼可見的疊層石。現代的疊層石是一堆堆嵌入或沉淀在沉積物中的微生物，不斷向上，并橫向從淺淡水或咸水底部上升。它們在潮汐間和淺的次潮區頻繁生長，在西澳大利亞“鯊魚灣”和巴哈馬群島普遍可見。保存在地質記錄中的微生物主要存在于燧石、石灰石和白云石之中，且通常與斑紋鐵巖層混在一起。在某些地方，化石疊層石聚積了好多層，厚達數百米，綿延數百千米。許多疊層巖里的微生物化石與現代微生物沒有太大區別，至少在外表上區別不大——這就是所謂的“大眾汽車綜合體，即缺乏外部形式變化，從而起著掩蓋了內部生物化學機制的演化作用”。現代疊層巖中，有各種各樣的微生物，其中包括藍綠細菌。現代微生物團也衍生著各種其他的生物，如海蛇、魚、腹足綱軟體動物和雙殼類動物。

全世界已知的太古代疊層巖的產地有21處。但是開始于26億年前的疊層巖在形式上多種多樣，更為常見。這可能與當時大陸的體積開始增大有關。大陸區規模的增大意味著其邊緣淺海也在擴大，于是疊層巖里的寄生物也大大增多。由于元古代（25億～5.43億年前）存在大量疊層巖，這一時期又被稱為細菌時代。

太古代和元古代的疊層微生物生長在淺海、環礁湖和湖里，沒有一種是生存于深水中的。它們也許進行光合作用，吸收二氧化碳，產生氧氣。由于大部分前寒武紀的大氣幾乎沒有氧氣，也沒有臭氧層保護地面免受有害太陽紫外線的輻射，所以生命只能在深度合適的淺海中繁衍——那里的水很淺，陽光能透進來，而且大部分紫外線被擋在外面。疊層微生物棲息在這一范圍內，并適應這些極端的條件，如高咸度的水、干燥、強光照射和局部的富氧環境。

到了7億～6億年前，疊層微生物突然消失。消失的原因至今也不清楚，也許是因為微生物群落競爭不過某些水藻，或者它們被當時已占優勢的穴居食草動物所侵害；也可能出現了漫長而廣泛的冰河期。這時候只是地球所經歷過的第二個冰河期，所以也有可能是寒冷的環境毀滅了廣大地區的疊層微生物，結果就是它們的棲息地大為縮小。

大氣、海洋斑紋狀鐵礦層和氧的產生

雖然我們并不知道太古代和早期元古代大氣的成分構成，但是有一點是清楚的，那就是：和海洋一樣，大氣里很少、甚至根本就沒有氧氣（淺海和大氣幾年或幾十年才交換一次氧氣，所以從現在的背景來看，這只是一個化學系統）。那么進行光合作用的微生物產生的氧的情況怎樣呢？氧一產生，就被下列物質的氧化作用消耗盡了：（1）溶于海水中的鐵；（2）微生物死后留下的有機物；（3）不斷向大氣噴發的火山氣體，這是一種缺氧的氣體。結果，氧化過程消耗了所有能取得的氧，這種現象一直延續到24億年前。此后，只有在大約3億年間，大氣中的氧似乎是無中生有，急劇增多，也許達到了現今大氣中氧濃度的15%或者更多。此后，在10億～5.5億年前之間，大氣中的氧含量進一步提高，也許達到現今一半的水平。地球表面突然的氧化現象開始于24億年前，這是地球進化史上意義最深遠的事件之一，最終使動物生命進化成為可能。

那么，我們究竟是如何知道這一切的呢？氧的含量為什么會突然升高？一種叫斑紋狀鐵礦層（BIFs）的奇特巖石足以證明大氣成分的變化和早期缺氧大氣的存在。BIFs是沉積巖，一層層里的鐵含量不同，交替存在，有的豐富，有的貧乏。常見層面的厚度只有幾毫米到幾厘米。對它們感興趣的不只是科學研究者，因為它們占現代社會用鐵的90%。這些巖石屬化學沉淀物，是溶于海水的鐵和硅化合物沉淀后形成的。部分巖石是彩色的，大多含有交替夾層磁鐵礦和赤鐵礦，這些是黑色的氧化鐵礦石和水蒼玉。水蒼玉是一種紅色的玉髓（石英的一種，由于含有氧化鐵和石英結合的細小晶粒而呈紅色）。純的BIFs都有17億年以上的歷史。大多數在26億～18億年之間，最古老的是在上文提到的伊蘇阿綜合體中找到的。大約過了18億年后，在地質記錄中，BIFs逐漸被紅層所替代（有關紅層將用幾個段落篇幅細談）。為什么BIFs只存在于地球遙遠的過去？為什么呈細帶狀結構？現今的海洋里根本不含鐵，而含鐵豐富的化學沉積物是怎么生成的呢？

上述問題可以在海水中找到一些答案。現在的海水中鐵的濃度可忽略不計，因為海水已被氧化，也就是說，海水所含的是溶解氧。只有在缺氧的（沒有氧）的水中能溶解數量可觀的鐵。因此，要使含鐵豐富的化學沉積物形成，海洋必須缺氧，以便攜帶溶解的鐵，然后必須補充充分的氧來氧化這種鐵，并成為氧化鐵礦沉積下來。氧生成后，經過數億年，BIFs的繼續出現意味著整個海洋需要很長時間才被氧化。這可能需要近10億年的時間，在這期間，海洋表面開始氧化，并緩慢地深入水下。

BIFs中含有的大量的鐵都是從哪里來的？大多數可能來自海底熱泉。熱水把鐵從地殼中過濾出來，沉積在海洋中，現在中洋脊就發生了這種現象，中洋脊下的地幔出來的熱驅動熱液循環。早期地球內部出來的熱流比現在的熱流大得多，可能引起更強烈的熱液循環。

見過BIFs的人無不為它們的層壓結構之精巧而震驚。有些研究人員把這些層壓結構視作是可用做氧化溶解鐵的氧的數量季節性變化的反映。他們畫出紋泥類似圖，紋泥是一種沉積物，里面交替著明、暗層，是每年冬季湖泊結冰時形成的。也許這種想法沒有錯，但沒有證據證實這一想法的價值。

紅層是風化碎裂的沉積巖，含有如沙和碎石層的細粒狀的特殊物質。其重要意義在于它們具有與眾不同的、很濃的紅棕色，這種顏色來自二氧化二鐵，表明里面有游離大氣氧沉積。二氧化二鐵可能在礦物表面形成一個外層，或散布在泥土中因風化而破碎了的微粒間。這些巖石，作為河床和在平原上泛濫的被氧化的水中的沉積物，是世界各地常見的沉積巖產物，其歷史還不到17億年。新澤西州東部的三疊紀紐沃克巖石群就是一個很好的例子。

還有一個問題有待解答，那就是為什么氧在24億年前突然出現？一般的觀點認為，因為溶于海洋中的鐵意味著氧的大量沉積，由于光合作用而引起的氧的產生率超過了熱液循環引起的鐵的補充率，海洋中的鐵最終耗完，氧的含量開始上升。但是這個問題還在激烈爭辯中，仍有人提出其他的觀點。例如，有人認為氧的形成是由于那時有機物被埋入海中的速度加快，從而防止了與氧反應產生二氧化碳。另一種觀點認為氧的形成反映了火山氣體成分的基本變化。

此后BIFs在局部地區重新出現很可能與局部出現一些短暫的事件有關，如海域中鐵和其他成分的增加，而海上的循環是有局限性的。

早期的地球暖和嗎？

我們又遇到了另一個問題。假如太陽也與其他星球一樣演化，它的亮度從誕生到現在已增加了25%～30%。如果早期的地球吸收的能量是如此之少，那么它為什么沒有完全冰凍呢？為什么第一次冰河期只出現在地球誕生后大約20億年（那時休倫湖超級巖石群的巖石正在沉積）？過了15億年后才進入下一個范圍廣泛的冰河期，這又是為什么？

太陽較低的發光度一定得到過其他一些因素的補充。現在大多數科學家都能接受這樣一種理論解釋：早期地球之所以沒有冰凍，是因為早期大氣含有高濃度的溫室氣體。這些氣體吸收了來自地球表面的輻射，像毯子一樣，把地球和輻射隔離開來。二氧化碳和甲烷最有可能起主要作用。只要把現在的地球和金星作一下比較，就能對二氧化碳在這方面所起的潛在的重要作用作出正確的評價。金星表面的溫度是460℃，這是因為有一層厚厚的二氧化碳把它隔離開來。如果金星沒有這一溫室大氣，其表面溫度就可能是-20℃。早期地球要保持溫度在冰點以上，二氧化碳量必須是現在大氣二氧化碳量的100～1000倍（現在大氣二氧化碳的容積占0.036%）。有一種推測很有意思：大氣溫室氣體的減少是在大約24億年前，由于大氣氧氣開始增加而引起的。冰河期也是從那時開始的。早期地球的反照率（反射的輻射和吸收的輻射的比率）低于現今地球的反照率，這是因為那時陸地面積較小，而海洋表面較大（海洋比陸地反射較少的光，因而吸收較多的熱量）。也許早期地球具有較高的旋轉率，因而有較少的云層遮陽。

較高的旋轉率一說值得注意。英國天文學家埃德蒙·哈雷（1656～1742），就是那位因發現哈雷彗星而聞名遐邇的哈雷，他在1695年發現，“食”的發生時間與地球和月球的始終不變的運動并不一致。后來，人們了解到地球和月球的運轉相互影響的情況，這才明白，哈雷的觀察要求地球的運轉要減慢。

能對此做直接觀察的只有通過古生物學的記錄。一年的天數就是從珊瑚和其他無脊椎動物化石每天的生長數量和規模推斷出來的。特別是泥盆紀的珊瑚表明，4億年前，每年有400～410天，每天大約是21～22小時。根據時間倒退法判斷，即使非常不確切，也可看出，太古代一天的長度約有15小時。以這樣的運轉率，當時大氣的循環可能完全不同于現在。例如，氣候模式表明，把熱量從赤道傳到兩極的大氣循環當時一定是相對弱的，所以赤道與兩極間的溫度變化率比現今要大得多。

寒武紀動物的出現和生命的劇增

最初的后生動物（即多細胞動物）是什么時候出現的，我們并不清楚。這些最早的有機體是軟體的微生物，它們的遺存數量很少，非常珍貴地以化石形式保存下來。這些微生物包括海綿、早期動物的胚胎和海藻。通過巖石可以看出，一些有10億多年歷史的化石可能也是后生動物，但是把它們解釋成“多細胞生命的代表”的說法引起了眾多爭議。最近在中國南部，在有5.7億年歷史的磷灰石中發現了保存完好、確切無誤的后生動物。

大約在5.4億年前，生命體出現了爆炸性的劇增，突然從軟體微生物變成骨骼（有殼）類的微生物，短短的數千萬年間，大多數的今天我們所知的動物種類在那時已經出現。這是寒武紀（也是古生代和顯生宙代）開始的標志。此外，元古代大多數生命形式在寒武紀開始時就消失了，從而成了歷史上生命滅絕的最大事件之一。與其他的滅絕現象不同，現在也沒有證據表明在寒武紀初始期發生過任何如流星碰撞之類的大災難性事件。上面已提到過后生動物增加和微生物減少的兩種可能性。大約在7.6億～5.5億年前，在大約2億年的時間里，地球經歷了幾次漫長而嚴酷的冰河期，惡劣的環境可能滅絕了大多數層疊生物。或者就是這些細菌簇競爭不過更復雜的生態系統。古生代已經開始，陸地表面除了細菌之外，沒有別的生命，但是在不到3億年的時間里，魚、兩棲生物和爬行動物陸續演化出來。大型的無脊椎動物群，其中腕足動物占了統治地位（類似雙殼類動物），成長了起來。植物和昆蟲也相繼出現。

加拿大哥倫比亞省東部邊界的加拿大落基山高處發現一類巖石，我們從中看到了大量有關寒武紀開始時生命劇增的信息。1909年，查爾斯·D.韋爾科特，當時是史密森學會的秘書，他在陡峭的山脊一側發現了頁巖層，只有幾米厚，約20米長，其中藏有豐富的化石。這些化石群，就種類和保存情況而言，堪稱天下一絕。這一頁巖層被稱為伯吉斯頁巖，是從一個陡峭的水下斜坡底部聚積而成的泥土生成的。斜坡是在一系列泥土滑動中形成的，動物群落就在頁巖上落戶，生活在得到陽光照射的淺水中。但是由于泥土滑動，動物群落被帶到更深的地方，即刻被埋入泥中。迅速被埋，又在更深的、缺氧的水中，這種環境抑制了腐爛和別的動物的干擾，所以這些動物軟體器官保存基本完好，清晰可辨。

寒武紀的初始期是地質記錄重要而清楚的分界線。化石所記錄下的信息突然變得完整，明顯的原因在于骨骼的殘留物很可能比軟體動物更容易保存。這一分界線標志著在許多地區不整合（不整合是指上、下兩套不同時代地層之間出現過沉積、間斷或地層缺失的地層接觸關系），從中可以看出發生過漫長的侵蝕期。

有關早期的地球還有許多問題有待研究。但是，我們已清楚地知道，地球是一顆具有演化系統的行星。作為無機體，地球為生命的進化——即使不是首先——提供了合適的環境，而生命同樣影響地球的進化。大氣調節地表的溫度，海洋調節大氣的成分，而地球則影響海洋的構成。但歸根結底，生命提供氧氣，使地球成為當今這樣一顆獨一無二的行星。