地球生命究竟起源於何時？

古生物留下的跡象？岩石中那些紅色的突起，可能是37億年前形成的疊層石化石。這些分層結構可能是由最原始的微生物製造出來的。Nature

我們不知道宇宙中有多少生命形式，不知道它們是否真的存在，甚至於不知道生命在地球上究竟因何而出現。不過至少有一點有跡可循：生命在地球上出現的時間。

通過探尋生命在地球上的起源時間，我們可以獲知生命誕生所需的條件，可以預測外星生命可能會在哪些地方出現。更深層的意義在於，我們可以由此獲得一條線索，來判斷生命起源的內在可能性——它究竟是一種運氣，還是一種必然？假如微生物經歷了上億年的試錯之後，才在淤泥中現身，那麼生命誕生之艱難決定了它在宇宙中是罕見的；假如生命在地球變得宜居後不久就迅速出現，那麼生命誕生的必然性就相當高，生命在宇宙中可能隨處可見。

天體生物學的研究通常要受古生物學、地質學和生物學的指導。和地球生命起源有關的發現，會直接影響到這方面的研究進程。兩個和時間有關的數據對天體生物學的研究十分重要：地球獲得生命支撐能力的最早時間，以及最古老的化石或生物體殘骸產生的年代。隕石來自45億年前，它們的年齡和太陽系以及地球的年齡有密切關聯。地球上現存最古老的礦物出產在澳大利亞西部，它們是一種名為鋯石的晶體，形成於大約44億年前。地球上最古老的生物結構名叫疊層石，是由淺水中的藍菌一層層堆積起來的。年代測定結果表明，這些同樣來自澳大利亞西部的藻類化石形成於35億年前，而格陵蘭島的疊層石樣本形成時間更是早在37億年前。藍菌已經是比較複雜的生命形式，因此生命必然誕生在此之前更為久遠的年代。岩石中的同位素生物印記表明它們至少誕生在38億年前。

上世紀70年代早期，在阿波羅的最後一次登月中，宇航員收集了幾袋子的月球環形山岩石樣本。在這些樣本中，科學家發現了氬的存在。氬對於這些岩石來說是外來的；它是在岩石凝固時，被鎖死在晶體結構中的放射性鉀同位素衰變產生的副產品。衰變的速度是已知的，所以只要知道了岩石中氬和鉀同位素的比例，就能推算出岩石的年齡。

令人吃驚的是，這些岩石中的大部分形成於41億至39億年前。這表明大量的月球環形山，包括一些最大的，幾乎都是在同一時期形成的。科學家由此推測，在太陽系早期歷史上的某個階段，月球曾經遭受過密集的小行星轟炸。假如月球遭受過，那麼地球也應該遭受過。

新的分析結果顯示，密集的隕石轟炸事件可能根本沒有發生過。

如果地球也遭受過同樣的轟炸，那麼它所遇到的情況會更糟。它的體積更大，引力更強。這一災難性事件就是所謂的「晚期大轟炸」——之所以叫它「晚期」，是因為它發生在地球成形後，按理說，此時這樣密集的隕石轟炸事件應該早已平息。但據估計，在那時，至少每一千年就會發生一次足以導致恐龍滅絕的隕石撞擊事件。這樣大規模的撞擊足以把大部分地球表面變成一片熾熱的岩漿海，足以把原本已經蓄積起來的水蒸發殆盡。沒有一種生命形式能夠在這個時期倖存下來。撞擊事件如果確實存在，那麼它就會收窄生命在地球上出現的時間窗口：它們在地球上站穩腳跟的時間不會早於39億年前。但是同位素分析和化石記錄卻表明，它們在38億年前就已經非常活躍。以地質學的時間尺度來看，生命幾乎是即刻起源的。

收集樣本。阿波羅17號宇航員Harrison Schmitt正在收集月岩樣本，它們後來被帶回地球進行了年代和成份測定。NASA

但是許多科學家對此心存疑慮。宇航員採集的月岩標本只來自月球表面的一小塊地區。雖然它們的採集點並不是同一個，但卻很有可能來自同一次大型撞擊事件，這樣它們的年齡也是相同的。不過21世紀初，行星科學家開始意識到，太陽系的行星可能並不是在它們今天所在的位置上形成的，而是通過軌道轉移，遷徙至此的。十年前，法國尼斯的一個科研小組建立了一個頗有影響力模型，能夠重現太陽系行星到達今天所在位置的過程。在此過程中，大行星會把大量小行星帶入內太陽系，製造出密集的隕石轟炸事件。連許多持異見者都被這個優雅而精細的模型說服了，「晚期大轟炸」也由此進入了教科書。

今年九月，洛杉磯加州大學的兩位科學家Patrick Boehnke和T. Mark Harrison發表了一篇論文，幾乎要毀掉「晚期大轟炸」的理論基礎：阿波羅月岩樣本的年齡。他們認為，用以測定樣本年齡的氬對溫度十分敏感。稍有升溫，它們就會從月岩中釋出，進而影響月岩氬的含量。這樣的溫度改變能夠由發生在撞擊點附近的新隕石撞擊事件帶來，它們本身可能不足以融化這些岩石。但這樣的事件多次發生後，月岩中氬的總體含量會發生明顯的變化，最終導致樣本表現得比實際年輕。也就是說，阿波羅月岩樣本中的氬鉀比例並不能說明發生過密集的隕石轟炸事件。

這兩位科學家用計算機模擬了多種可能性，以確定月岩中氬的含量是否真的和「晚期大轟炸」有關。結果發現，緩慢而平順下降的隕石轟炸率也能對此加以解釋。簡而言之，他們發現，人們在對阿波羅月岩年齡的估計中，過多地考慮了隕石轟炸這個因素。由於這是「晚期大轟炸」假說的理論基礎，所以他們認為，這次密集的隕石轟炸事件可能根本沒有發生過。

一些學者把目光轉向了小行星帶，因為小行星既是「晚期大轟炸」的加害者，也是它的受害者。結果獲得的證據是模稜兩可的。灶神星（Vesta）是小行星帶的第二大小行星，也是唯一一顆和某些落到地球的隕石有確鑿關聯的小行星。亞利桑那州立大學的Julia A. Cartwright等人在分析了那些據信是來自灶神星的隕石後發現，隕石中的一種成份曾經被融化過，似乎表明太陽系發展史上的確出現過一次密集的撞擊事件。但這次事件的發生時間是在34億至37億年前。

一個宜居地球的誕生時間，可能要比我們之前所認為的要早得多。

然而當瑞典隆德大學的Simona Pirani和義大利國家天體物理研究所的Diego Turrini，分析了「黎明號」探測器2011至2012年間造訪灶神星時獲得的影像數據後卻發現，灶神星身上能夠證明發生過密集轟炸事件的跡象很少。在它身上的環形山中，很少有產生自那個時期的；它們中的大部分形成時間要近得多。灶神星沒有大氣和海洋，也沒有板塊活動，這些撞擊的痕迹不可能被抹去。事實上，大轟炸如果真的發生過，那麼它的猛烈程度足以把灶神星甩出小行星帶。因此，這個小行星的存在本身就能夠說明沒有發生過這樣一次災難性事件。

疊層石。這些大塊頭是一種由藍菌產生的石灰岩沉積物。Doug Perrine

與此同時，許多地質學家和微生物學家開始質疑「晚期大轟炸」。即便它發生過，是否真有那麼糟糕？東京理工學院的Yuhito Shibaike和Shigeru Ida，以及京都大學的Takanori Sasaki認為，「晚期大轟炸」僅能融化大約70%的地球表面。70%已經相當多了，但生命仍然能夠找到庇護所。斯坦福大學的Norman Sleep等人認為，如果生命起源於海底並那裡擴散，那麼對它們而言，最大的危脅是海水的蒸發。然而「晚期大轟炸」似乎缺乏能夠讓這麼多海水全部沸騰的能量，因此地球上的生命可能並沒有在那時被清理乾淨。

更多的啟示來自古老的鋯石晶體。鋯石需要液態水才能生成，因此它們也表明，隕石轟炸並沒有把地球表面全部融化，也沒有將地球表面的所有水蒸發。

假如Boehnke和Harrison所言不虛，那麼我們又該如何理解生命在地球上的發展史呢？

假如早期地球並沒有經歷「晚期大轟炸」，隕石轟炸頻率只是緩慢地逐漸下降，那麼地球上一個對生命友好的環境產生時間，可能要比我們之前認為的早得多，這樣的環境在44億年前可能就已經有了。但是假如38億年前生命才在地球上出現，那麼就意味著生命的起源至少用去了幾億年時間，也就是說生命的稀有性要遠超我們的想像。

但是也有證據表明，生命要比地質學家和生物學家先前認為的更加古老。Boehnke和Harrison等人在另外一個研究項目中發現，鋯石中存在著可以追溯到41億年前的生命跡象。如果是這樣，那麼就意味著在地質年代的尺度上，生命幾乎是即刻出現的。大自然不會把一切都安排妥當，所以只要擁有合適的環境，生命的產生和擴散並不困難，甚至於是一種常見現象。

這些發現為天體生物學引入了新的不確定性。幾十年來，「晚期大轟炸」對我們而言都是一個重要的標杆，它能夠讓我們了解太陽系的演化，了解太陽系是如何從原始的渾沌一步步變得有序的。 假如「晚期大轟炸」不存在，那麼太陽系演化模型就需要修正了。

與此同時，假如生命形式能夠在合適的環境中快速產生，那麼每一個位於宜居帶的行星或衛星上都有可能產生生命。銀河系平均每個恆星擁有一個行星，因此對於尋找地外生命而言，天空中幾乎所有恆星都可以成為我們的搜尋目標。假如生命的起源是一種稀有事件，那麼我們就必須把望遠鏡指向那些年老的恆星，在那裡，生命才有充足的時間得以產生。

原文：Kimberly M.S. Cartier、Jason T. Wright
編譯：老孫