尋找生命最初的痕跡

苗千

一組古生物學(xué)家的最新發(fā)現(xiàn)，不僅可能拓展人們對于地球上生命起源的認知，甚至可能為人們尋找外星生命提供線索。

處于質(zhì)疑和爭議之中的古生物化石

美國加州佩奇博物館（Page Museum）的研究人員借助放大鏡甄別微化石

生命從何時出現(xiàn)？基于什么條件而出現(xiàn)？地球是不是宇宙中的特例？在太陽系內(nèi)部，乃至在其他星系中，到底還有沒有生命形式存在？人類應(yīng)該依賴怎樣的線索，以什么樣的標準去尋找生命？幾位英國科學(xué)家最近在加拿大北部的新發(fā)現(xiàn)，在時間范圍上拓展了人類對于生命現(xiàn)象的認識。這一發(fā)現(xiàn)的意義重大，研究生命最初的痕跡，或許可以幫助人們回答這些問題。

位于加拿大北部魁北克地區(qū)被稱為努夫亞吉圖克地表帶（NSB）的區(qū)域主要由火山噴發(fā)形成的玄武巖構(gòu)成，這是地球上最原始的海洋地殼的一部分。地質(zhì)學(xué)家們認為在努夫亞吉圖克地表帶中保存著地球中最古老的沉積巖，這里因此引起了眾多地質(zhì)學(xué)家和古生物學(xué)家的興趣。

來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）的幾位科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組，最近在努夫亞吉圖克地表帶發(fā)現(xiàn)了一種微化石，它可能保存了一種生活在地球太古代的早期生物微米級的結(jié)構(gòu)。這種罕見的微化石被封存在石英層之中，據(jù)分析，這種微化石可能形成于距今至少37.7億年前，它所記錄的可能正是在37.7億年至43億年前，由于地球上頻繁的火山活動，在海底暖流附近所形成的地球上最早的生命系統(tǒng)的一部分。如果最終被證實，這個時間就會打破之前的紀錄，成為人類發(fā)現(xiàn)的距今最為久遠的生物化石。

研究者推斷，這種生活在40多億年前的微生物，當(dāng)年可能大量生活在海底火山活動頻繁的深海熱泉噴口附近。這些微生物以鐵為食，而最終形成的微化石保存了它們的細絲和細管結(jié)構(gòu)。在太古代形成的沉積巖非常容易變形，因此科學(xué)家們對于這個時期生命形態(tài)的研究主要集中于化學(xué)痕跡的研究，尤其是含碳材料同位素成分的研究和尋找，這是人類第一次發(fā)現(xiàn)35億年前的地球微生物化石。

不斷發(fā)現(xiàn)的古微生物化石，讓科學(xué)家們相信，在地球形成之后不久，地球上就出現(xiàn)了生命現(xiàn)象。這個化石證據(jù)表明，或許在43億年之前，地球上就已經(jīng)出現(xiàn)了早期生命形式。要知道，根據(jù)研究，地球自身也只是形成于大約45億年前。發(fā)現(xiàn)微化石團隊中的一員、倫敦大學(xué)學(xué)院的博士生馬修·陶德（Matthew Dodd）說，這一發(fā)現(xiàn)支持了在地球形成不久之后，地球上的生命形式就起源于海底熱噴流附近的觀點。

幾位研究者的論文《地球最古老的熱流沉積物中的早期生命證據(jù)》（Evidence for early life in Earth's oldest hydrothermal vent precipitates）于2017年3月2日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上，迅速引起了全世界的關(guān)注。論文的主要作者之一、倫敦大學(xué)學(xué)院地球科學(xué)系的講師多米尼克·巴皮諾（Dominic Papineau）博士的研究方向就是理解在40多億年的時間里，地球生命出現(xiàn)和進化的歷史，并且以此預(yù)測在其他擁有液態(tài)水和火山現(xiàn)象的行星上可能發(fā)現(xiàn)的生命形式。

研究一塊距今30多億年前的微小化石樣本，當(dāng)然會引來各種質(zhì)疑。德國杜塞爾多夫大學(xué)分子進化研究所的所長威廉·馬丁（William Martin）教授對于巴皮諾博士的發(fā)現(xiàn)表示并不信服，他認為這些微化石并沒有明顯的生命特征，其中包含的結(jié)構(gòu)可能是自然力形成的。作為回應(yīng)，倫敦大學(xué)學(xué)院的研究者們反復(fù)、系統(tǒng)性研究了微化石，包括其在形成過程中溫度和壓力可能帶來的反應(yīng)，最終排除了其他各種可能。

巴皮諾博士介紹，他們發(fā)現(xiàn)的微化石有著旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，有點類似酒瓶起子，還包含分支細絲結(jié)構(gòu)，這與此前發(fā)現(xiàn)過的更為年輕的微化石有相似的結(jié)構(gòu)。研究者發(fā)現(xiàn)的細絲和細管結(jié)構(gòu)被凝固在厘米大小的球狀結(jié)構(gòu)中，這種結(jié)構(gòu)可能來自腐敗過程中形成的礦物質(zhì)。從礦物成分來說，這塊微化石與之前在挪威、美國的大湖區(qū)域和西澳大利亞發(fā)現(xiàn)的年齡更小的化石成分相同。巴皮諾博士列舉了他們發(fā)現(xiàn)的微化石所具有的9個生命特征，他希望有一天整個科學(xué)界都能接受他們的發(fā)現(xiàn)。

在幾十億年的地質(zhì)過程中，這些遠古微生物細微的生命結(jié)構(gòu)被完整地保持至今，研究者最終把它們從地球最古老的巖層中挖掘出來。這種能夠呼吸和進食的厭氧生物可能生活在距今42.8億年前的地球——僅僅在地球形成2.5億年之后，這說明生命現(xiàn)象在地球發(fā)展得非常迅速。研究者聲稱他們發(fā)現(xiàn)的是地球上最古老的生命痕跡，這可以幫助人們理解地球上生命產(chǎn)生和演化的過程。

或許意義還遠不止于此。陶德認為，在這種生命形式出現(xiàn)的時間段，地球上的自然環(huán)境與火星非常相似，這對于尋找火星生命的痕跡也具有啟示意義。或許人們可以在相似的條件下發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生于40億年前的火星生命——除非地球是一個非常特殊的例外。巴皮諾博士也認為，如果在當(dāng)時的情況下可以產(chǎn)生地球生命，那么在太陽系的其他地方也可以產(chǎn)生出生命。形成生命只需要水、火山活動和一些碳之類的基本元素，因此在火星以及木星和土星的衛(wèi)星上，都有可能形成生命。

在這個發(fā)現(xiàn)之前，地球上最古老的保存了生命痕跡的化石是在澳大利亞發(fā)現(xiàn)的形成于34.6億年前的微化石，這塊化石的真?zhèn)卧诋?dāng)年也受到過眾多專家的懷疑。當(dāng)時美國歐道明大學(xué)的幾位科學(xué)家在澳大利亞西部的砂巖中發(fā)現(xiàn)在微化石中記錄了地球早期微生物生活的痕跡：這種微生物可以把陽光轉(zhuǎn)化為自身能量，同時也會噴射出對于人類來說難聞的硫化物。澳大利亞西部的微化石同樣保存了地球上早期生命的球狀和微管結(jié)構(gòu)。這個發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家們普遍認為地球上的單細胞生物在34億年前就開始遍布地球，普遍存在于在人類看起來嚴酷的缺乏氧氣的高溫環(huán)境之中——而最新發(fā)現(xiàn)則又把這個時間推前了3億年。

實際上，因為太古代生物化石的稀少和特殊性，關(guān)于它們真實性的爭論在科學(xué)界從來沒有停息過。在1993年，美國加州大學(xué)的古生物學(xué)家詹姆斯·紹普夫（James Schopf）發(fā)現(xiàn)了一種形成于34.6億年前、富含碳元素的細絲結(jié)構(gòu)化石，他認為這表現(xiàn)了某種形式的微生物。盡管他的發(fā)現(xiàn)迅速被學(xué)術(shù)界所接受，隨后還進入了教科書和博物館，但在后來還是引起了較大爭議。牛津大學(xué)的科學(xué)家馬丁·布萊瑟（Martin Brasier）質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)這種微化石的巖石，并不是簡單的沉積巖，而是在高溫的水流環(huán)境中長時間形成的巖石，因此布萊瑟教授的研究小組提出了另外一種設(shè)想：紹普夫所發(fā)現(xiàn)的化石并非真正由生物形成，而是由熱流攜帶的礦物質(zhì)長時間沉淀所形成。最終科學(xué)家們利用高精度透射電子顯微鏡研究化石的細絲結(jié)構(gòu)和碳元素分布狀況，證明了布萊瑟的論斷，這塊“微化石”實際上是由高溫水流在特殊狀態(tài)下形成的，并沒有記載任何生命形式。

伴隨著質(zhì)疑，古生物學(xué)家們?nèi)匀辉谧巫尾痪氲貙ふ矣涗浟斯爬仙圹E的化石，記錄了地球早期生命現(xiàn)象的化石的時間紀錄不斷被打破。人們?nèi)匀徊淮_定，在大約有45億多年歷史的地球上，生命最初是以什么形態(tài)，出現(xiàn)在什么時期。畢竟在地球形成初期，頻繁的隕石撞擊和地質(zhì)活動，都很容易破壞掉生命存在的痕跡，只有在極偶然的情況下才有可能形成化石保存至今。

火星也是在大約46億年前形成，當(dāng)時地球和火星的地質(zhì)環(huán)境比較相似，所處的宇宙環(huán)境也相似，都時會常受到小行星和彗星的撞擊。最初在火星表面也存在液態(tài)水，而在形成過程中由于引力作用在內(nèi)部積聚的能量，使當(dāng)時的火星同樣火山活動頻繁，在火星表面布滿巖漿，大氣層中充滿二氧化碳和水蒸氣。在最初形成的幾億年的時間里，火星可能也存在著地磁場，在后來又逐漸消失。在大約35億年前，火星才開始逐漸冷卻，又逐漸失去表面的大氣層，無法保持表面大量的液態(tài)水。

如果生命形式的出現(xiàn)真的是由一些極為簡單的條件所決定：火山爆發(fā)帶來的能量和礦物質(zhì)、液態(tài)水，以及陽光的照射，那么在地球上新發(fā)現(xiàn)的太古代生物的微化石會為人類在火星表面尋找早期的火星生命痕跡帶來更強的信心，甚至對人類尋找太陽系外的生命形式也會有所幫助。

還要去哪里尋找地外生命？

除了太陽系內(nèi)部，在遠離太陽系的其他星系，只要滿足上述的幾個基本條件，是否也有可能存在生命？行星學(xué)家們曾以為恒星周圍的固態(tài)恒星極為罕見，但近年來的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)證明很多在恒星周圍都存在著巖石行星，其中很多位于可能存在液態(tài)水的星系“宜居區(qū)”。最近最令人矚目的，就是美國航空航天局在距離地球40光年之外的一個星系內(nèi)部，一次發(fā)現(xiàn)了7顆行星。7顆行星就是7個完全不同的世界，其中是否可能存在著人類未曾想象過的生命形式？

美國航空航天局在2017年2月22日宣布，利用斯皮策空間望遠鏡（Spitzer Space Telescope）的觀測，一次性在屬于水瓶座的“TRAPPIST-1”星系中發(fā)現(xiàn)了7顆行星圍繞著一顆恒星運轉(zhuǎn)。在適當(dāng)?shù)拇髿鈼l件下，這7顆行星的表面都有可能存在液態(tài)水，而且其中有3顆就處于“宜居區(qū)”，表面存在液態(tài)水的可能性更大。這個發(fā)現(xiàn)也刷新了人類在一個星系中發(fā)現(xiàn)處于宜居區(qū)行星數(shù)量的紀錄。

40光年的距離，雖然人類可能永遠都無法到達，但是從宇宙的尺度來看，無非是咫尺之間。在TRAPPIST-1星系中運轉(zhuǎn)的7顆行星在人類的望遠鏡中無非是幾個光斑，但是隨著人類對于太陽系內(nèi)部理解的加深、探索技術(shù)的不斷提升，能否在這個鄰近的星系發(fā)現(xiàn)生命現(xiàn)象，也會成為人們關(guān)心的問題之一。

在2016年5月，研究者首先發(fā)現(xiàn)了這個星系的3顆行星，斯皮策空間望遠鏡隨后確認了這3顆行星中的2顆，隨后又發(fā)現(xiàn)了5顆行星。不僅是確認了行星的數(shù)量，研究者還利用斯皮策空間望遠鏡測量了這幾顆行星的形狀以及其中6顆行星的質(zhì)量。根據(jù)密度計算，這些行星可能都是巖石行星，而進一步的觀察則可能幫助人們判斷在這些行星表面是否存在著液態(tài)水。

與太陽不同，TRAPPIST-1星系的中心恒星是一顆超冷矮星，它的體積只有太陽的八分之一左右，表面溫度也遠低于太陽，因此在它附近運轉(zhuǎn)的行星表面也可能存在著液態(tài)水。圍繞恒星運轉(zhuǎn)的7顆行星的相對距離也都接近，如果在合適的條件下站在其中一顆行星上觀看其他幾顆行星，看到的形象可能比在地球上看到的月亮還要大。這也是人類首次在這類恒星的周圍發(fā)現(xiàn)與地球大小接近的行星。這些行星上的環(huán)境可能與地球大不相同，有的行星可能被恒星的引力潮汐鎖定，沒有自轉(zhuǎn)，總是把固定的一面朝向恒星，這會使行星的一部分永遠是白天，而另一部分永遠是黑夜。在這種情況下行星表面將會因為強烈的溫差而形成持久的大風(fēng)。

除了斯皮策空間望遠鏡和哈勃空間望遠鏡之外，美國航空航天局計劃于2018年發(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope）也會加入到對TRAPPIST-1星系的觀測中。如果在這些行星的表面存在大氣層，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡將通過超高精度的探測裝置，探測這些行星大氣中的水、甲烷、氧氣和臭氧等成分，它還將測量這些行星表面的溫度和氣壓，這些都是生命是否能夠存在的關(guān)鍵因素。

對于人類來說，TRAPPIST-1星系是一個近乎完美的研究對象：足夠近，足夠小，足夠明亮。科學(xué)家們已經(jīng)確定了將TRAPPIST-1星系中的e、f、g這3顆處于宜居帶內(nèi)的行星作為研究重點。研究外星系，也有利于人類了解太陽系和地球，理解生命起源的真正原因。

生命究竟是什么？生命為什么能夠在宇宙中留下獨特的痕跡？在以光年為單位計算距離的天體之間，所產(chǎn)生的生命形式又會有什么異同？人類對于地球的不斷探索，以及對于地外行星的不懈尋找和研究，或許終將在未來的某一天給出答案，拓展我們對生命的認識。

（本文寫作參考了《自然》雜志和美國航空航天局網(wǎng)站的報道）