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起源的问题是人类所思考的包括科学、哲学和宗教在内的最深刻的问题之一。 从演化的角度来考虑的话，关于人类的起源、地球生命的起源和地球的起源都是关于时间、空间、物质和能量的起源问题的一些环节。地球上生命的起源可以追溯到极其遥远的过去，与宇宙的起源紧密地联系到了一起 (图1)。地球由于在其形成后不断地经历天翻地覆的变化，没有任何地球早期演化的证据得以完整地保存。好在 我们可以根据地质学的、生物学的、比较行星学和天文学的研究像拼积木一样一点一点地还原地球和生命早期演化的图像。
图1 宇宙的创生、恒星内部的核化学、行星的形成、地球上海洋的形成、有机分子的合成 等都为生命起源与演化的重要环节
地球的年龄至少已有 45 亿年，而太阳系的年龄会比地球更老些。地球是迄今为止我们所知太阳系唯一驻有生命的星球，据我们所知也是宇宙中唯一发现有生命存在的星球。 地球上生命是何时开始的呢？ 最初的生命与我们现在的生命世界有什么不同？我们地球上生命的起源与演化在宇宙中有普遍意义吗？地球形成之后的最初7亿年是不可能有生命存在的。由于地球内部复杂过程产生的热量，加上地球以外天体的频繁轰击，地球经历了一个岩浆海的过程（图2），而在相当长的一段时间内，地球的大气是由氮气、水汽和CO2为主组成的[1]。
图2 艺术家对早期地球环境的想像图（ https://en.wiki pedia.org/wiki/Hadean）
我们知道今天平均海平面上25ºC时的大气压力是一个大气压。而地球最早时的 CO2的分压就有40个大气压，而水汽的压力则更高达120个大气压。由于水汽和CO2都可显著地引起温室效应，加上早期地球本身极高的地表热流，地球的大气温度可以高达450ºC以上，与今天金星的大气相似。 在如此高的温度下大气会与岩石相互作用形成对生命物质合成有催化作用的次生矿物 (图3)。随着地球本身产热的降低和大气中CO2的减少，地球表 面的温度逐渐降低。CO2溶解于水并与水中溶解的金属离子如 Ca2+、Fe2+、Mg2+等共沉淀而生成碳酸盐是一个非常重要的固定大气CO2的过程。地球的海洋也许44亿年以前就已经形成了[2]。而 根据现在关于生命起源的理解，有液态水的稳定存在就可能有生命的发生。 但地球上生命的开始可能还没这么早。这是因为在太阳系形成的早期有大规模的陨石和彗星频繁地撞击地球。许多科学家们认为大规模的撞击可以数次完全蒸发地球的海洋。最后一次大规模的撞击过程发生在大约39亿年以前[3]。从此之后，地球的海洋终于形成并保持至今。虽然此后到现在地球一直经历多次的大规模撞击，但再也没有被完全蒸发过。虽然不能确定在海洋刚刚形成之 后，即大约38~39亿年生命在地球上已经出现，但是可以肯定，海洋，即液态水在地球表面的形成是生命开始最重要的条件，因为其他生命起源的要素，如碳、氧和金属在地球上早已具备[4]。现在保存最古老的沉积岩的年龄是38.5亿年，它的存在无可置辩地证明海洋的形成。在格陵兰岛的艾苏阿发现了现存最古老的已经过变质的沉积岩。 这些岩石形成于38亿年以前，说明那时已经有岩石与海水之间的相互作用，因此可以推定海洋已经形成。 在老于38亿年中发现的轻碳同位素值特征的石墨会不会是生物成因的[5]？现在还难以定论。
图3 橄榄石与二氧化碳-水超临界气体在高温下反应生成 Mg(OH) 2 和其他次生矿物。它们对初始海洋的酸碱度、早期有机合成的催化都起重要作用
一般认为从无生命的化学演化到形成第一个细胞生命需要大约2亿年的时间，但也有人认为也许只要两千万年的时间就可以了。孕育最初的生命需要一定量的简单有机分子、具有催化作用的黏土矿物、氧化物或硫化物[4, 6]。我们现在还不知道第一个细胞应该是什么样子，甚至不清楚第一个原始细胞是一个以能量或物质代谢为特点的功能集团呢，还是一个能够遗传自身信息的功能集团。前者在化学和能量上更容易解释些，而后者在特征上更接近于生命的遗传特性。无论如何，物质和能量的代谢以及生命所必需的遗传功能在短时间内都出现了。根据现在的解释， 在最初完全是化学演化的基础上产生了地球上的第一个生命，它是地球上所有生命的共同祖先 [7]。在此基础上生命又进一步分化成细菌、古菌和包括动植物和藻类在内的 真核细胞生物。基于一些在演化上非常稳定的基因分析，细菌和古菌一样古老，而 真核生命则稍后从古菌中分出[7]。
那么 在最初的海洋中，是什么原因导致了细菌和古菌之间的些微差异呢？
有人猜测会不会它们中的一个是来自地球以外，比如火星。长期以来一直有人坚持地球生命的种子可能来自于宇宙空间的说法。可以设想在很早的时候一块火星陨石带着火星生命的种子落到了地球的海洋中。当然，另一种可能是，细菌和古菌分别诞生于地球上稍有差异的环境中，比如说由于海洋的均一化程度的差异而引起温度、酸碱性或化学成分的不同。关于第一个细胞是异养的还是自养的也是有很多争议的。现在的单细胞生命有的是靠直接氧化现成 的有机物获得能量的，有的是靠转化无机化学物质的能量状态，比如 Fe2+、pS、Cp, p等来获得能量的[8]。到底孰先孰后呢？这可能与地球早期不同的地球化学环境有关。陆地环境，如果已经存在的话，不是最适合生命开始的地方，因为那时的地球大气没有臭氧层，不能阻挡致命的紫外线。浅海可以有一定的化学物质接受阳光，但紫外线辐射仍然是一个问题。 在深海中，如海底火山的表面有足够的热能使催化物质形成，有足够的化学能量，但没有了紫外线的困扰。这里可能是生命的最初诞生之地。 与此类似的地方还有海底的洋中脊的热液喷口（图4）。
图4 地球生命可能起源于海底热泉(Richard Bizley绘制)
如果是这样的话，生命从其诞生之日起，阳光就不是必须的。也许在这些最初使用化学能量的基础上逐渐又演化出了那些可以利用太阳能的微生物。最初的生命在其出现后也极大地参与了改变地球表生条件的过程。洛杉矶加州大学的威廉姆斯·肖普夫教授在迄今已35亿年的海洋沉积岩燧石中发现了迄今最古老的光合细菌的化石（图5）[9]，以世界各地均有发现的叠层石为证据，而这些细胞中的有机分子则又过了整整八亿年之后才得以保存到沉积物中至今。硫酸根还原菌的出现在大约34.7亿年[10]；以还原 Fe3+为主的细菌的出现应该在海底有大量的 Fe3+的氧化物的出现 之后，也就是说在全球硅铁建造形成的时期出现。因此应该晚于紫菌。因为正是紫菌分解的水产生了氧气，进而氧化了海水中的Fe2+。随后随着海洋温度和氧化-还原条件的改变，Mn4+和 NO3-的还原也相继在早元古代出现。在所有这些事件中Fe2+的氧化是最重要的事件，它完全改变了地球表面的矿物组成，也为后来大气和生命的演化掀起了新的一页。
图5 保存在Apex硅质岩中微生物化石(Schopf, 1993)
本文摘录自【10000个科学难题·地球科学卷】，科学出版社，2010。
本文作者系香港大学地球科学系和生命科学学院教授。
主要参考文献
【1】Zahnle K J. Earth’s earliest atmosphere. Elements, 2006, 2: 217-222.
【2】Wilde S A, Valley J W, Peck W H, et al. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature, 2001, 409: 175-178.
【3】Cockell C S. The origin and emergence of life under impact bombardment. Philosophical Transactions of the Royal Society, 2006, B361: 1845-1856.
【4】Russell M J, Hall A J, Boyce A J, Fallick A E. On hydrothermal convection system and the emergence of life. Economic Geology, 2005, 100: 419-438.
【5】Schidlowski M, Aharon P. Carbon cycle and carbon isotopic record: geochemical impact of life over 3.8 Ga of early history. in: Schidlowski M. Early Organic Evolution: Implications for Mineral and Energy Resources. Berlin: Springer, 1992.
【6】Wächtershäuser G. Evolution of the first metabolic cycles. Proceeding of National Academy of Science, USA, 1990, 87: 200-204.
【7】Doolittle W. Phylogenetic classification and the universal tree. Science, 1999, 284: 2124-2128.
【8】Nealson K H, Gonrad P G. Life: past, present and future. Phil. Trans. R. Soc. Lond., 1999, B354: 1923-1939.
【9】Schopf J W. Microfossils of the early archean apex chert: new evidence of the antiquity of life. Science, 1993, 260: 640-646.
【10】Shen Y, Buick R, Canfield D E. Isotopic evidence for microbial sulphate reduction in the early Archaean era. Nature, 2001, 410: 77-81.
注：本文由【沉积之声】科普平台原创，并授权【沉积学报】转载
