寻找生命最初的痕迹

苗千

一组古生物学家的最新发现，不仅可能拓展人们对于地球上生命起源的认知，甚至可能为人们寻找外星生命提供线索。

处于质疑和争议之中的古生物化石

美国加州佩奇博物馆（Page Museum）的研究人员借助放大镜甄别微化石

生命從何时出现？基于什么条件而出现？地球是不是宇宙中的特例？在太阳系内部，乃至在其他星系中，到底还有没有生命形式存在？人类应该依赖怎样的线索，以什么样的标准去寻找生命？几位英国科学家最近在加拿大北部的新发现，在时间范围上拓展了人类对于生命现象的认识。这一发现的意义重大，研究生命最初的痕迹，或许可以帮助人们回答这些问题。

位于加拿大北部魁北克地区被称为努夫亚吉图克地表带（NSB）的区域主要由火山喷发形成的玄武岩构成，这是地球上最原始的海洋地壳的一部分。地质学家们认为在努夫亚吉图克地表带中保存着地球中最古老的沉积岩，这里因此引起了众多地质学家和古生物学家的兴趣。

来自英国伦敦大学学院（UCL）的几位科学家领导的一个研究小组，最近在努夫亚吉图克地表带发现了一种微化石，它可能保存了一种生活在地球太古代的早期生物微米级的结构。这种罕见的微化石被封存在石英层之中，据分析，这种微化石可能形成于距今至少37.7亿年前，它所记录的可能正是在37.7亿年至43亿年前，由于地球上频繁的火山活动，在海底暖流附近所形成的地球上最早的生命系统的一部分。如果最终被证实，这个时间就会打破之前的纪录，成为人类发现的距今最为久远的生物化石。

研究者推断，这种生活在40多亿年前的微生物，当年可能大量生活在海底火山活动频繁的深海热泉喷口附近。这些微生物以铁为食，而最终形成的微化石保存了它们的细丝和细管结构。在太古代形成的沉积岩非常容易变形，因此科学家们对于这个时期生命形态的研究主要集中于化学痕迹的研究，尤其是含碳材料同位素成分的研究和寻找，这是人类第一次发现35亿年前的地球微生物化石。

不断发现的古微生物化石，让科学家们相信，在地球形成之后不久，地球上就出现了生命现象。这个化石证据表明，或许在43亿年之前，地球上就已经出现了早期生命形式。要知道，根据研究，地球自身也只是形成于大约45亿年前。发现微化石团队中的一员、伦敦大学学院的博士生马修·陶德（Matthew Dodd）说，这一发现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热喷流附近的观点。

几位研究者的论文《地球最古老的热流沉积物中的早期生命证据》（Evidence for early life in Earth's oldest hydrothermal vent precipitates）于2017年3月2日发表在《自然》（Nature）杂志上，迅速引起了全世界的关注。论文的主要作者之一、伦敦大学学院地球科学系的讲师多米尼克·巴皮诺（Dominic Papineau）博士的研究方向就是理解在40多亿年的时间里，地球生命出现和进化的历史，并且以此预测在其他拥有液态水和火山现象的行星上可能发现的生命形式。

研究一块距今30多亿年前的微小化石样本，当然会引来各种质疑。德国杜塞尔多夫大学分子进化研究所的所长威廉·马丁（William Martin）教授对于巴皮诺博士的发现表示并不信服，他认为这些微化石并没有明显的生命特征，其中包含的结构可能是自然力形成的。作为回应，伦敦大学学院的研究者们反复、系统性研究了微化石，包括其在形成过程中温度和压力可能带来的反应，最终排除了其他各种可能。

巴皮诺博士介绍，他们发现的微化石有着旋转的结构，有点类似酒瓶起子，还包含分支细丝结构，这与此前发现过的更为年轻的微化石有相似的结构。研究者发现的细丝和细管结构被凝固在厘米大小的球状结构中，这种结构可能来自腐败过程中形成的矿物质。从矿物成分来说，这块微化石与之前在挪威、美国的大湖区域和西澳大利亚发现的年龄更小的化石成分相同。巴皮诺博士列举了他们发现的微化石所具有的9个生命特征，他希望有一天整个科学界都能接受他们的发现。

在几十亿年的地质过程中，这些远古微生物细微的生命结构被完整地保持至今，研究者最终把它们从地球最古老的岩层中挖掘出来。这种能够呼吸和进食的厌氧生物可能生活在距今42.8亿年前的地球——仅仅在地球形成2.5亿年之后，这说明生命现象在地球发展得非常迅速。研究者声称他们发现的是地球上最古老的生命痕迹，这可以帮助人们理解地球上生命产生和演化的过程。

或许意义还远不止于此。陶德认为，在这种生命形式出现的时间段，地球上的自然环境与火星非常相似，这对于寻找火星生命的痕迹也具有启示意义。或许人们可以在相似的条件下发现产生于40亿年前的火星生命——除非地球是一个非常特殊的例外。巴皮诺博士也认为，如果在当时的情况下可以产生地球生命，那么在太阳系的其他地方也可以产生出生命。形成生命只需要水、火山活动和一些碳之类的基本元素，因此在火星以及木星和土星的卫星上，都有可能形成生命。

在这个发现之前，地球上最古老的保存了生命痕迹的化石是在澳大利亚发现的形成于34.6亿年前的微化石，这块化石的真伪在当年也受到过众多专家的怀疑。当时美国欧道明大学的几位科学家在澳大利亚西部的砂岩中发现在微化石中记录了地球早期微生物生活的痕迹：这种微生物可以把阳光转化为自身能量，同时也会喷射出对于人类来说难闻的硫化物。澳大利亚西部的微化石同样保存了地球上早期生命的球状和微管结构。这个发现让科学家们普遍认为地球上的单细胞生物在34亿年前就开始遍布地球，普遍存在于在人类看起来严酷的缺乏氧气的高温环境之中——而最新发现则又把这个时间推前了3亿年。

实际上，因为太古代生物化石的稀少和特殊性，关于它们真实性的争论在科学界从来没有停息过。在1993年，美国加州大学的古生物学家詹姆斯·绍普夫（James Schopf）发现了一种形成于34.6亿年前、富含碳元素的细丝结构化石，他认为这表现了某种形式的微生物。尽管他的发现迅速被学术界所接受，随后还进入了教科书和博物馆，但在后来还是引起了较大争议。牛津大学的科学家马丁·布莱瑟（Martin Brasier）质疑，发现这种微化石的岩石，并不是简单的沉积岩，而是在高温的水流环境中长时间形成的岩石，因此布莱瑟教授的研究小组提出了另外一种设想：绍普夫所发现的化石并非真正由生物形成，而是由热流携带的矿物质长时间沉淀所形成。最终科学家们利用高精度透射电子显微镜研究化石的细丝结构和碳元素分布状况，证明了布莱瑟的论断，这块“微化石”实际上是由高温水流在特殊状态下形成的，并没有记载任何生命形式。

伴随着质疑，古生物学家们仍然在孜孜不倦地寻找记录了古老生命痕迹的化石，记录了地球早期生命现象的化石的时间纪录不断被打破。人们仍然不确定，在大约有45亿多年历史的地球上，生命最初是以什么形态，出现在什么时期。毕竟在地球形成初期，频繁的陨石撞击和地质活动，都很容易破坏掉生命存在的痕迹，只有在极偶然的情况下才有可能形成化石保存至今。

火星也是在大约46亿年前形成，当时地球和火星的地质环境比较相似，所处的宇宙环境也相似，都时会常受到小行星和彗星的撞击。最初在火星表面也存在液态水，而在形成過程中由于引力作用在内部积聚的能量，使当时的火星同样火山活动频繁，在火星表面布满岩浆，大气层中充满二氧化碳和水蒸气。在最初形成的几亿年的时间里，火星可能也存在着地磁场，在后来又逐渐消失。在大约35亿年前，火星才开始逐渐冷却，又逐渐失去表面的大气层，无法保持表面大量的液态水。

如果生命形式的出现真的是由一些极为简单的条件所决定：火山爆发带来的能量和矿物质、液态水，以及阳光的照射，那么在地球上新发现的太古代生物的微化石会为人类在火星表面寻找早期的火星生命痕迹带来更强的信心，甚至对人类寻找太阳系外的生命形式也会有所帮助。

还要去哪里寻找地外生命？

除了太阳系内部，在远离太阳系的其他星系，只要满足上述的几个基本条件，是否也有可能存在生命？行星学家们曾以为恒星周围的固态恒星极为罕见，但近年来的天文学发现已经证明很多在恒星周围都存在着岩石行星，其中很多位于可能存在液态水的星系“宜居区”。最近最令人瞩目的，就是美国航空航天局在距离地球40光年之外的一个星系内部，一次发现了7颗行星。7颗行星就是7个完全不同的世界，其中是否可能存在着人类未曾想象过的生命形式？

美国航空航天局在2017年2月22日宣布，利用斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope）的观测，一次性在属于水瓶座的“TRAPPIST-1”星系中发现了7颗行星围绕着一颗恒星运转。在适当的大气条件下，这7颗行星的表面都有可能存在液态水，而且其中有3颗就处于“宜居区”，表面存在液态水的可能性更大。这个发现也刷新了人类在一个星系中发现处于宜居区行星数量的纪录。

40光年的距离，虽然人类可能永远都无法到达，但是从宇宙的尺度来看，无非是咫尺之间。在TRAPPIST-1星系中运转的7颗行星在人类的望远镜中无非是几个光斑，但是随着人类对于太阳系内部理解的加深、探索技术的不断提升，能否在这个邻近的星系发现生命现象，也会成为人们关心的问题之一。

在2016年5月，研究者首先发现了这个星系的3颗行星，斯皮策空间望远镜随后确认了这3颗行星中的2颗，随后又发现了5颗行星。不仅是确认了行星的数量，研究者还利用斯皮策空间望远镜测量了这几颗行星的形状以及其中6颗行星的质量。根据密度计算，这些行星可能都是岩石行星，而进一步的观察则可能帮助人们判断在这些行星表面是否存在着液态水。

与太阳不同，TRAPPIST-1星系的中心恒星是一颗超冷矮星，它的体积只有太阳的八分之一左右，表面温度也远低于太阳，因此在它附近运转的行星表面也可能存在着液态水。围绕恒星运转的7颗行星的相对距离也都接近，如果在合适的条件下站在其中一颗行星上观看其他几颗行星，看到的形象可能比在地球上看到的月亮还要大。这也是人类首次在这类恒星的周围发现与地球大小接近的行星。这些行星上的环境可能与地球大不相同，有的行星可能被恒星的引力潮汐锁定，没有自转，总是把固定的一面朝向恒星，这会使行星的一部分永远是白天，而另一部分永远是黑夜。在这种情况下行星表面将会因为强烈的温差而形成持久的大风。

除了斯皮策空间望远镜和哈勃空间望远镜之外，美国航空航天局计划于2018年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）也会加入到对TRAPPIST-1星系的观测中。如果在这些行星的表面存在大气层，詹姆斯·韦伯空间望远镜将通过超高精度的探测装置，探测这些行星大气中的水、甲烷、氧气和臭氧等成分，它还将测量这些行星表面的温度和气压，这些都是生命是否能够存在的关键因素。

对于人类来说，TRAPPIST-1星系是一个近乎完美的研究对象：足够近，足够小，足够明亮。科学家们已经确定了将TRAPPIST-1星系中的e、f、g这3颗处于宜居带内的行星作为研究重点。研究外星系，也有利于人类了解太阳系和地球，理解生命起源的真正原因。

生命究竟是什么？生命为什么能够在宇宙中留下独特的痕迹？在以光年为单位计算距离的天体之间，所产生的生命形式又会有什么异同？人类对于地球的不断探索，以及对于地外行星的不懈寻找和研究，或许终将在未来的某一天给出答案，拓展我们对生命的认识。

（本文写作参考了《自然》杂志和美国航空航天局网站的报道）