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生命“创世纪”被提前了3亿年?还不一定!

时间:2015-10-27 11:29来源:果壳网 作者:柯石英_USTC 阅读:

当你看着街道上匆匆走过的行人和在秋风中飒飒作响的行道树,觉得周围所有这些生物都是理所当然时,你有没有想过时光倒转,曾经有一天这一切都还没有出现,浩瀚星球之中只有最初的生命开拓者,那一天的地球是何时、何等模样?

生命诞生于什么时候?从早期宗教中对创世纪的描述到进化论被认同后生物学的发展,历史上人类对于生命起源的求知欲从未消褪。而在过去的几十年间,科学家们在地质学和古生物学取得的突破已经使我们无限接近于最终的答案。

35亿,还是38亿年前?有可能比那更久远

迄今为止,最古老生命直接证据来自于接近35亿年前的叠层石。在被微生物占领的地球早期,这种在微生物的参与下构建形成的沉积结构在全球广泛分布。其中,在西澳大利亚和南非两地发现的叠层石保存了近35亿年前蓝藻细菌活动的证据。

而通过化学手段得出的间接证据则有可能将生命出现的时间进一步提前:在格陵兰岛,科学家们对形成于38亿年前的岩石记录中的磷灰石进行碳同位素的研究,他们发现实验测出的数值无法被生命活动以外的过程所解释,从而提出这很可能是生物活动的产物。一旦该结论被证实,地球上生命的诞生时间将被大幅度提前。

近日,一项来自于加州大学洛杉矶分校研究团队的研究有可能将生命起源的时间点再次向前拨动3亿年,该研究成果1发表在最近的PNAS上。

生命“创世纪”被提前了3亿年?还不一定!41亿年前,地球还处于冥古宙时期。也许那时就已经存在生命了?图片来源:palaeos.com

锆石恒久远,一颗40亿年

通过对岩石样品的研究,人们解锁出众多远古生命的秘密。可惜的是,最早的岩石记录“只”有40亿年的历史,人们可以通过什么材料探寻现年46亿岁的地球幼儿时期的秘密呢?答案就是“X石恒久远,一颗永流传”——不过不是钻石,而是锆石。

锆石一种在是岩浆分异过程中结晶的矿物,它们跟随着岩浆来到地表。能够在超过40亿年的漫长地质过程中得以幸存,锆石必然拥有与众不同的技能点:

一方面,锆石的熔点在两千摄氏度以上,即使在氧化状态下也能在1500℃中保持稳定;

另一方面,锆石抗风化能力很强,这就意味着锆石一旦形成,无论是地表的风化剥蚀还是深部的变质过程都难以将其摧毁。

这里教男人们一招,下次你们可以送女朋友锆石戒指,告诉她钻石以后一不小心就会变成石墨,锆石才是真正能永远流传的珍宝……不过不保证一定成功……

好了,回到正题上来。锆石中有含量合适的稀有金属铀、钍和铅——额,这里并不是要造原子弹——而是这些元素可以为锆石确定年龄。现在人们知道地壳形成于44亿年前,这一发现借助的正是在澳大利亚中西部荒漠的杰克山(Jack Hills)发现的锆石。

既然锆石可以稳定地从地壳形成初始阶段保存至今,如果锆石在结晶的时候恰好将一些对于破解生命起源有帮助的物质包裹起来,那么有幸能穿上锆石这层绝佳铠甲的物质岂不是也有机会被今天的我们发现?

抱着这样的想法,这篇文章的作者来到了最早锆石的发掘地——杰克山,他们在这里寻找蕴含原始生命信息的远古锆石。经过一番努力,他们果真在这些细如发丝的锆石晶体中有所发现:在一粒41亿年前的锆石晶体中,研究者发现了一些石墨。

看到这里你可能会提出疑问:石墨明明是无机质,这与有机的生命有什么关联呢?的确,石墨是碳元素以单质存在的一种形式,但这里被包裹的石墨则因为一项特征受到研究人员的关注,这就是其特征性的同位素值。

生命“创世纪”被提前了3亿年?还不一定!位于澳大利亚中西部的杰克山(Jack Hills)。这段绵延的丘陵成为了地球的早期资料库。科学家在这里发现了证明地壳最早形成时间的锆石,本文研究的锆石样品同样来自于这里。图片来源:news.sciencemag.org

发现生命的迹象:来自同位素的证据

我们知道同位素指的是质子数相同而中子数不同的核素,大家最为熟悉的就是氕氘氚。对于拥有6个质子的碳原子而言,它可以含有6个、7个或是8个中子,也就是碳12、碳13和碳14。这其中,碳14的性质与其他两兄弟截然不同:碳14具有放射性,每经过约5730年,就有一半的碳14发生衰变转变成氮14原子。考古学或者古环境学中经常出现的“碳同位素定年”运用的就是碳14的这一特性。

而碳的另外两种同位素碳12与碳13就要乖多了,它们被称为稳定同位素。也就是说,如果后期不参与其它的反应,那么我们今天看到的碳13/碳12值就是该物质形成时的数值。

那么,有机碳的碳13/碳12值有什么特征?一个字:“低”。有机物中碳13占的比例要低于它在无机物中的比值。这是因为在生物体利用二氧化碳生成有机质的过程中,碳12与碳13展开两项竞争:

一是“解索”:初始状态下,两者都被氧原子用共价键这根绳索捆绑住,但是碳12作了个弊:捆绑它的共价键没有碳13的牢固,所以当比赛开始,碳12更容易挣脱束缚;

二是“赛跑”:碳12体重更轻,因而它的奔跑——也就是扩散的速率更快。碳12在两项比赛中均占据优势,因而它们更有机会被生物体利用。这个动力学分馏的过程使得生命活动制造的有机物具有特征性碳同位素值。

通过对这块锆石晶体中保存的石墨进行碳同位素分析,研究人员发现其碳13比值很低,正好位于有机碳的范围内!研究人员认为这可能是生物的遗迹,他们为我们重建了这段生命历程:在至少41亿年前的地球上,最初的原核生物已经诞生,它们能够利用环境中的无机碳合成有机物。当生命的最后钟声敲响,它们缓缓坠入洋底的泥沙中,经过漫长的沉积作用成为沉积岩的一部分。

随后在板块运动中,这一部分洋壳向地幔俯冲下去,那里的温度越来越高、压力越来越大,最终洋壳融化成为岩浆,而其中的有机碳也在高温高压下转变成为石墨。在那里,石墨幸运地遇见了正在结晶的锆石,它被锆石揽入怀抱,一起度过这接下来的41亿年,直至以一种意外的方式“遇见”了已经进化四十亿年的后辈——我们。

生命“创世纪”被提前了3亿年?还不一定!本次研究使用的锆石样品的X光图像。箭头所示区域即为被锆石包裹的石墨。图片来源:研究论文

尚未解决的争议:其它的可能性?

从地球起源至38亿年前的这段时间被命名为冥古宙,人们对这段时期的一贯认识是火山喷发遍布、小行星与彗星撞击频繁的死寂世界,生命似乎与这段时期绝缘。如果这项研究的推断成立,这无疑是一个爆炸性的消息:地球上生物起源的时间将被提前至冥古宙,人类对于简单生命产生条件的认知无疑将被改写。

所以说,这些科学家们搞出了一个大新闻?

且慢,事情并没有那么简单。有机质的特征的确是低同位素比值,但问题是其它的非生物过程同样可以导致石墨的同位素值偏低:

一种可能性是这份石墨可能混入了一部分天外的材料。陨石中的碳同位素值可以远远低于有机碳的范围,这样最终的石墨出现有机碳的数值也就不足为奇;

此外,在铁的催化下,无机形态的碳氢氧有可能合成甲烷等烃类,只是该反应在低温下尚未得到证实。

研究团队也表示,目前人们并没有办法验证这份石墨材料的来源是以上的某一种过程。同样,这些可能性在目前也都无法被排除。为了对早期地球开展更深一步的探索,研究者需要继续向锆石寻求帮助,继续挖掘这些矿物为我们保留下的生命痕迹。

所以呢,在你和朋友聊天时,千万别说成科学家发现41亿年前地球上就有生命存在——这项研究只是“通过间接的地球化学证据提出41亿年前生命存在的可能性”。至于作者的假设是否成立,现在我们尚无法证实。

无论是35亿年前还是尚需证实的38亿、41亿年前,这些可能都不是生命的真正起点。不要忘了,这些已经得到解析的证据只是地球宝藏的冰山一角,更多远古生命的信息仍然埋藏在地质记录中等待人们的发掘。所以关于生命在地球上的起源,目前仍有许多谜团等待着人们去揭开神秘的面纱。(编辑:Jerrusalem)

参考资料:

  1. Bell, Elizabeth A., et al. "Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon." Proceedings of the National Academy of Sciences (2015): 201517557.
  2. http://news.sciencemag.org/biology/2015/10/scientists-may-have-found-earliest-evidence-life-earth
  3. Awramik, Stanley M. "The oldest records of photosynthesis." Photosynthesis Research 33.2 (1992): 75-89.
  4. Mojzsis, Stephen James, et al. "Evidence for life on Earth before 3,800 million years ago." Nature 384 (1996): 55-9.
(责任编辑:泉水)
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