地球早期生命的形式到底是怎樣的？

2016年9月，《自然》雜誌報道，格陵蘭島發現了疑似37億年前的疊層石。疊層石有點像古代的珊瑚礁化石，只不過這些疊層石是由微生物組成的，而不是珊瑚蟲。它們是早期地球存在生命最容易辨認的證據之一。儘管如此，許多科學家仍對此持懷疑態度：儘管地球生物學家阿比蓋爾·奧爾伍德(Abigail Allwood)寫道，這些化石顯示出「相當可信的微生物活動特徵」，但地球微生物學家羅傑·別克(Roger Buick)還是翻了個白眼，說道：「想讓我相信，除非能解決我對此的14個問題。」

去年春天，地球生物學家多米尼克·帕皮諾(Dominic Papineau)和他的同事報告稱，在魁北克省37.7至42.8億年前富含鐵的岩石中發現了微生物化石：赤色的管狀蟲體和細絲的外觀與如今生活在熱液噴口中的微生物相似。另一些人則將他們的發現斥為「疑似化石(dubiofossils)」，地質學家漢斯?霍夫曼(Hans Hofmann)在1972年發明了這個詞，用來形容有爭議的化石。霍夫曼寫道，化石被證明是生物的;「假化石」與生命相似，但都是無機物;「疑似化石」(也被稱為Problematica(不能確定其分類的生物)或雜錄)是模稜兩可的。沒有人確定這些發現是否證明發現了古代石化生物。

幾個世紀以來，在19世紀早期「生物學」還未成為一門學科之前，科學家們就一直在努力地思考是什麼構成了「生命」。幾千年前，亞里斯多德的《自然之梯》(即存在之梯)描述了在一個連續統一體中排列的自然界，從岩石到人類，按照進化的完美程度進行排列(天主教會把上帝和天使加冕在這把梯子上;卡爾·林奈悄悄地把它們從他自己的分類法中去除了)。17世紀的博物學家Athanasius Kircher認為活力論在不同的物質中都留下了深刻的印象，礦物力量形成了一些化石，其衰減過程類似於植物和動物的生長。19世紀的德國浪漫主義者如諾瓦里斯(Novalis)和約翰·沃爾夫岡·馮·歌德( Johann Wolfgang von Goethe)被洞穴迷住了，他們認為同樣的個性化力量(Triebkraft)在人類身上達到了頂峰。「生命」本身並不存在，所有的生命都是有機的。

今天的教科書告訴高中生，生命是以特定的能力為特徵的——繁殖、新陳代謝、適應、自我組織、成長。但是生物學家和其他科學家對於生命的獨特性卻沒有那麼堅定。1943年，歐文·薛定諤(Erwin Schrodinger)回答了這個問題：「生命是什麼?」對於一個物理學家來說，這是一個負熵系統，和其他系統一樣。這種想法影響了上世紀中葉的分子生物學家，他們借用控制論的理論，將生命視為是由分子「信息」組成的信號、伺服機構和動態平衡， DNA仍然被稱為「密碼」不是沒有原因的。在20世紀末，不同的科學家也根據混沌理論、熱力學和其他物理過程來定義生命。計算機科學家相信他們能在計算機上產生人工生命。

地質學家檢查岩石中的化石能夠通過鑒定生命遺骸的方式來幫助我們理解生命是由什麼構成的難題。對於相對較近期的化石——比如恐龍——答案很簡單，雖然已經滅絕，但它們的身體看起來很像現存的生物：兩側對稱，具有骨骼、牙齒和尾巴等顯著特徵。但在寒武紀大爆炸(5.39 - 5.41億年)前，生命的形式是完全不同的。在進化的陣發性爆發中，我們今天所認識的大多數動物的身體形式突然出現了。那麼，之前存在的那些生命形式呢?它們生活在一個與我們現在的地球幾乎完全不同的地球，那時候大陸還沒有出現，年輕地球的表面被硫磺海洋覆蓋，大氣層只有一個蒼白的太陽，缺乏氧氣，潮汐飆升，一個月僅有20天。如果生命存在在這樣的環境下，一個人該如何識別25到39億年的化石呢?

這是推動地球生物學發展的問題之一，這門學科起源於20世紀中期，其前身是古生物學、地質學和生命科學等古老領域。地球生物學有一個重大假設，那就是地球和生命是相互作用的，我們的星球隨著生命的進化而改變。在早期的地球上尋找化石，這類似於在火星、冰冷的衛星和系外行星上尋找生命的努力，因為那時候的地球在很多方面都與今天的地球有很大的不同。這樣的問題並不新鮮。19世紀中期，博物學家們就一種名為「億生代」的奇怪實體是否可能是第一種生命形式展開了爭論;在世紀中葉，地球生物學家為他們充滿爭議的新領域的研究制定了指導方針：如何從化石中分辨出栩栩如生的印記和那些真正的化石。今天，地球生物學家的工作也幫助我們思考如何識別其他行星上的生命。

儘管鮮為人知，但19世紀中期的一系列地質發現首次表明，古生物學可能有更長的歷史，這一歷史可以追溯到遠古時期，甚至是生命本身的起源。在1858年，寒武紀地層下的岩石不叫前寒武紀;它只是簡單地被稱為「無生代」，因為沒有人相信在那裡能找到生命。但同年，加拿大地質勘探局的一位收藏家在勞倫地層的無生代石灰岩中發現了一種非常像生命的東西：「奇特的層狀結構，由石灰和蛇紋碳酸鹽交替層組成，或石灰和白色輝石碳酸鹽交替層組成。」威廉·道森(William Dawson)曾是查爾斯·萊爾(Charles Lyell)的學生，後來成為蒙特利爾麥吉爾大學(McGill University)校長，他檢查了這些岩石。在《物種起源》(1859年)一書中，查爾斯·達爾文(Charles Darwin)指出(現在被稱為「達爾文困境」)，如果他的自然選擇理論是正確的話，那麼化石記錄應該有記錄到「在志留紀最低層沉積之前」的生物。《物種起源》出版後，關於原始化石是否存在的科學爭論變得反覆無常。然而，要找到它們卻很困難——如果達爾文是對的，那麼它們在哪裡呢?

道森是一個反達爾文主義者，但他承認他所看到的層狀結構無疑是有機的——他認為這些結構是巨型有孔蟲(單細胞生物，長出堅硬的外部外殼)的骨骼殘骸。在論證這塊岩石是真正的有機起源時，道森把重點放在了他所謂的化石的「美麗和複雜」上，他指出了一系列他確信不可能完全通過物理化學手段形成的微管。出於愛國熱情，他於1865年站在蒙特利爾自然歷史學會面前，將這種生物命名為「加拿大黎明動物」(Dawn Animal of Canada)，或者Eozo?n canadense(始生代)，他認為它是地球上所有生命的祖先。

Eozo?n canadense，一種由交錯層狀方解石和蛇紋石構成的變質前寒武紀岩石。維基百科

道森使得黎明動物可以為自己發聲，反對自然選擇論，因為它已經幾千年沒有變化了。在《地球上的黎明》(1875年)中，他寫道：

我，Eozoon canadense，發現自己生長在海底，我也不知道我自己是什麼時候來的。我成長和繁榮了很長一段時間，而且沒有發現任何阻止我擴張的障礙，充足的食物總是漂浮在我身邊，我不必要自己去尋找食物。

Eozoon是一個容易被人扭曲的發現。如果你是19世紀60年代的地質學家或博物學家，不管你是否相信有Eozoon，在辯論中提到它總是有用的。如果Eozoon是一種原始動物，那麼也許它是達爾文在化石記錄中被注意到缺失的第一頁。或者，如果在Eozoon和第二古老的化石之間有的只是幾千年的沉默，那麼這也可能是反對自然選擇論的證據：也許生物一直保持不變，或者多次出現，但從未進化。

讓道森非常沮喪的是，1866年，達爾文對有關Eozoon的爭論作出了回應，達爾文同意了他的觀點。達爾文在第四版的《物種起源》中添加了這樣的一句話：「在閱讀了關於這一非凡化石的描述之後，我對它的有機性質不可能產生任何懷疑。」

來自倫敦行商產科醫生托馬斯?布爾默(Thomas Bulmer)也對Eozoon表現出了不那麼突出的認可，他以神秘的海金·納比「宇宙」這個筆名，以第一人稱講述了地球的歷史。在他1879年的故事中，真主安拉拜訪了夢中的海金·納比「宇宙」，並向他展示了生命的起源。在他與真主安拉一起穿越萬古世紀時觀察到的現象中，有這樣的一種現象：「Eozoon原生質形成了由有孔蟲外殼組成的巨大珊瑚礁……在加拿大海域，存在著一個非常不尋常的物體，即Eozoon canadensis……其組成如此可疑，以至於被認為是礦物組織。」

然而，對Eozoon持懷疑態度的人則聲稱這化石僅僅是一種「假晶」，它看上去好像是活的，但其實它們並不是。他們寫道，它要麼是「仿製的」，要麼只是「生命的痕迹」，它的形式只是出奇地規則，它並不是有機的。儘管Eozoon表面上看起來很美，很複雜，但在19世紀的最後幾十年里，它的受歡迎程度卻下降了。1888年，《美國地質學家》雜誌採訪了14位著名的地質學家，詢問他們「加拿大的Eozoon是否為有機起源」。他們當中只有三個人同意這種觀點，包括道森(他命名了這個化石)和查爾斯·杜利特·沃爾科特(Charles Doolittle Walcott)，後者後來被認為是在1914年於伯吉斯頁岩中發現寒武紀爆炸的發現者。關於Eozoon的爭論漸漸失去了動力，1894年，Eozoon作為另一種岩石被揭開了面紗：點綴著一些蛇紋石的石灰岩。

在接下來的半個世紀里，很少再有科學家對前寒武紀化石進行研究。然後，在1953年，威斯康星大學的礦物學家斯坦利·泰勒發現了燧石鐵。當他在蘇必利爾湖釣鱒魚的時候，他從船上發現了一塊厚厚的疊層石露了出來——由微生物化石組成的巨大暗礁組織。在顯微鏡下，泰勒還發現了嵌在燧石里疑似生命的微觀形態，用他的話說，「這塊岩石提供了一扇穿過前寒武紀變質面紗的窗戶」。Tyler和他的同事，哈佛大學的古植物學家Elso Barghoorn確定，19億年歷史的球體和細絲已經變成了化石。1954年，他們在《科學》雜誌上發表了一篇簡短的聲明，宣布他們發現了前寒武紀藍藻細菌。1965年，古生物學家Preston Cloud獨立證實了Tyler和Barghoorn的發現，打消了人們對化石「可能是由非生命過程產生」的擔憂。他宣稱它們是「最古老的結構，與特定的生物體非常相似」。地質學界首次普遍認可前寒武紀化石的存在，從而創設了現代地球生物學。

隨後前寒武紀的土地熱潮出現了。1965年，Barghoorn的研究生威廉·「比爾」·朔普夫(William " Bill " Schopf)在澳大利亞苦泉地層中發現了8億年前的微化石。20世紀70年代，Barghoorn和另一名研究生Andrew Knoll在澳大利亞發現了34億年前的細菌化石。突然之間，古老的生命在我們腳下深深地埋藏著。如果在19世紀，複雜性表明了生命的形式，那麼到了20世紀70年代，科學家們發現簡單性就已經能識別出最初的生命形式。通常情況下，石化的微生物是球體或細絲，很容易被氣泡、晶體和其他無機人工製品模仿。於是乎一場關於生命形態的爭論在沉默中準備著爆發。

1979年，前寒武紀古生物研究小組(PPRG)的成員開始在西澳大利亞北極附近現在著名的瓦拉伍納群進行野外工作。1980年，他們在《自然》雜誌上發表了他們在那裡發現的太古代疊層石，這是當時已知的最古老的化石，歷史超過5億年。然而，在這篇文章發表的幾周前，著名地球生物學家斯坦利·阿拉米克(Stanley Awramik)聯繫PPRG，報告說他在同一塊岩石中發現了微觀有機細絲和球狀體。阿拉米克準備了幾篇文章，宣稱他的發現實際上是地球上已知的最古老的生命跡象。羅傑·別克(Roger Buick)曾研究過澳大利亞北極地區，最初也是阿拉米克手稿的合著者，但他對這些最古老的生命形式仍然持懷疑態度，以至於這些文章在出版的時候他要求去除他的名字。隨後，《科學》雜誌拒絕發表這一發現，這篇文章後來又在其他地方得到發表。隨後，別克對這一發現進行了一系列嚴厲的駁斥。問：「在何種形態複雜程度上，一個物體可以被認為是毋庸置疑的微生物遺迹?」別克總結道：「在太古代岩石中沒有發現公認的微生物化石。」

PPRG的創始人Schopf很快就報告說，瓦拉伍納化石的來源不確定，原因是位點特異性和復現性存在問題。幸運的是，Schopf碰巧有自己的瓦拉伍納化石。他聲稱，這些微化石不僅明確地證明了微生物生命早在34.6億年前就大量存在，而且還證明了它可以進行光合作用，比第二古老的光合微生物存在證據早了整整10億年。在1986年到1993年的一系列論文中，Schopf發表了他的證據。

Schopf的工作並沒有說服所有人，尤其是牛津大學的地質學家Martin Brasier。Brasier報道說Schopf在1987年把他的研究生Bonnie Packer送到Warrawoona去了，而在Packer從野外回來、她得以檢查樣本之前，Schopf就發表了一份新聞聲明證明她已經發現了最古老的微化石。經過對實驗室樣本的檢查，Packer產生了懷疑，並選擇不再參與進一步的化石研究，這個化石樣本在當時已經作為Schopf的尖燧石化石所為人熟知。

在太古代尋找生命的地球生物學家收集了許多可疑的化石樣本，而Schopf的尖燧石化石儼然是這些可疑化石的榜樣。正如亨利·吉(Henry Gee)後來在《自然》(Nature)雜誌上所說：「很難區分細菌——尤其是細菌化石——和氣泡之間的區別。」理查德?科爾(Richard Kerr)在《科學》(Science)雜誌上提出了一個類似的問題：這些是「最早的生命跡象，還是只是形狀怪異的雜質?」Brasier將這個問題診斷為一個推論：對於許多研究早期生命的地球生物學家來說，如果它看起來像藍藻，那麼最簡潔的解釋就是它是藍藻。」然而，形態學上的相似——或者將遠古生命與現存生命進行比較——已經遠遠不夠了;「類生命」的可疑化石往往多為無機結構。

引用科學哲學家卡爾·波普爾的話，Brasier提供了識別化石生命的最保守標準：「非常古老的/類似外來的微生物化石結構……不應該被認為是生物的起源，除非它們的非生物起源的可能性被測試過，並且可以被證偽。」不那麼保守的地球生物學家則指出，這樣的標準不僅會推翻所有來自太古代的化石，而且，如果應用到更近期的化石上，也會讓它們受到質疑——的確，沒有任何化石能被明確證明曾經存在過。科學研究取決於可證偽性，諷刺的是，Brasier的標準卻沒有遵循這一標準。作為回應，Knoll用更易理解的「Knoll假說」反駁了Brasier的「無效假設」：「一個好的生物標誌物就是簡單地意味著一樣東西很難(但並非不可能)通過無機過程產生。」

澳大利亞西部皮爾巴拉克拉通的帶狀岩層，尖燧石化石就是在這裡被發現。由賓夕法尼亞州立大學/ Flickr

Apex chert的爭議為地球生物學家澄清了鑒定地球上早期生命的界限，幫助他們形成了一系列嚴謹的策略，以證明化石留下了在地球上或其他行星上的早期生命印記的可能性。雖然大多數地質學家現在已經拒絕了尖微生物化石，但反駁尖燧石的論文仍在繼續發表，最近的一次是在去年，大衛·瓦西(David Wacey)將尖燧石診斷為「不是微生物化石，只是偶然排列的碳塊」。儘管這種尖燧石已經從可疑化石降級成了偽化石，但長達數十年的關於其來源的爭論迫使地球生物學家重新思考他們如何評估古代石頭中生命形式。

近年來，地球生物學家已經遠離形態學，不再把形態學作為辨別古代生命的可靠標誌。為了回答我提出的問題——生命的遺骸是什麼樣子的?它們看起來很像其他的東西。或者，換個角度來看，許多古老的事物看起來很像我們所期待的古老生命的樣子，無論是形式、複雜性還是簡單性。如果說「美」和「複雜」曾經是生命的標誌，而後來的地球生物學家依靠簡單性來尋找早期生命，那麼現在這兩個都已經不足夠了。在尋找遠古生命的過程中，沒有什麼能明顯區分生命與非生命。簡單地說，尋找古代生命已經不再是尋找古代生命形式。

現在，地球生物學家轉而關注生物、地質和礦物學背景，例如岩石岩化的周圍古環境、在化石化過程中退化的跡象，以及分析生物化學和化學生物標誌物。他們希望，借用地質學家約翰·埃勒(John Eiler)的話說，這些標準將更有效地區分「最古老的化石」和「一塊岩石」。隨著地球生物學家越來越多地與地球化學家、地質年代學家、地層學家和地磁學家合作，這種多樣化和嚴格的非形態學標準將會得到一致的使用。

困擾著微古生物學研究的問題現在已經擴展到天體生物學，即尋找地球以外的生命。簡單地說，如果地球生物學家不能確定地球上的生命是什麼樣子的，那麼他們有什麼機會能發現外星生命呢?而這個故事的一個十分諷刺的地方在於，繼續支持Apex chert的Schopf，在1996年8月的NASA新聞發布會上發言，他用他自己的可疑化石來質疑火星隕石ALH84001的生物源性。

Schopf在新聞發布會上說，「我將向你們展示地球上最古老的生命證據，」並展示了1993年Apex chert微生物化石的顯微圖像「這些是明顯的細胞...這些是明顯的化石。」他堅持認為，地球生物學家為測試chert 可疑化石而制定的標準肯定適用於所有的地外生物可疑化石，而這塊隕石並沒有通過他的測試。就像Gee後來總結的那樣：「這是遊戲的名字，用來描述在極端的時間和空間里的生命。」無論是在19世紀60年代、60年代，還是今天，在這裡還是在其他地方，都沒有明確的分界線將石化的生命與非生命區分開來。

可疑化石嗎?這張被稱為「Bounce」的偽彩色合成岩石照片顯示了一塊火星探測器機遇號(Opportunity)用岩石磨損工具鑽入後的岩石。美國國家航空航天局

生命是什麼和不是什麼的問題，或者生命看起來是怎樣和不是怎樣，或者生命是如何以及在何時出現和沒出現(或者生命出現的頻率)的這些問題，是研究人員在不斷發展的理論和承諾的背景下常常向自然選擇、古生物猜想、是否將古生物理解為物質、過程或自組裝提出的討論。當我們問生命從何而來，它是什麼樣子時，我們問的是定義生命輪廓的那些特質——模式或結構、簡單性或複雜性、形式或信息、新陳代謝或繁殖。這意味著生命是一個概念——它承載著含義和意義的力量;它承載著歷史包袱、哲學期待和科學框架。生命是人們(生命科學家和其他人)必須被說服的東西。但當然，說生命是值得辯論的，並不是去詛咒尋找生命的科學家(有時他們也會無意中發現它狡猾的複製品)。相反，這意味著我們的生命理論其實非常生動活潑。

2020年火星任務將收集新岩石，並可能引發關於外星生命化石的新一輪辯論。我們還不知道外星生命會以何種奇妙的形式出現，但歷史表明，許多火星人的形象最多也只能是半信半疑。

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