北领地地质调查局（Northern Territory Geological Survey）所保存的钻孔岩芯中，有一部分是泥岩——这是一种由固化的海底淤泥形成的沉积岩。钻探这些岩芯的公司大多没有意识到，在这些泥岩中竟然封存着微小生物的化石。这些微生物曾被埋藏在15亿年前覆盖澳大利亚北部大片区域的远古内陆海海底。

正如我们发表在《自然》（Nature）杂志上的新研究所展示的那样，这些化石对于解决地球上所有复杂生命赖以诞生的重大演化飞跃——真核生物的起源——这一长期悬而未决的谜题至关重要。

微小而复杂

地球上的所有生命都可以归为两大类型，它们在细胞水平上有着根本的区别。原核生物（包括细菌和古菌）具有简单的细胞结构，且大多为单细胞。而真核生物——包括所有的动物、植物、藻类和真菌——则截然不同。它们的细胞要复杂得多，拥有细胞核以及执行特定功能的细胞器等专门结构。

真核生物的演化革命彻底改变了我们的星球。它催生了动物的崛起，并最终孕育了人类。根据对现存生物基因的观察，科学界目前达成广泛共识：所有现存真核生物的最后共同祖先，是由（至少）两个原核微生物（一个古菌和一个细菌）通过共生联合演化而来的。

真核生命的早期证据正是以这些单细胞生物化石的形式出现的。它们展现出了原核生物所不具备、但在真核生物中却十分普遍的细胞复杂性水平。

在世界各地至少可追溯到15亿年前的岩石中，都可以发现真核生物化石。而澳大利亚北部的这些化石，其最古老的距今已有17.5亿年，是目前全球已知的最古老真核生物化石。

然而，早期真核生物演化时所处的远古世界依然笼罩在迷雾之中，其本质的许多基本方面仍然未知。

氧气：朋友还是敌人？

许多类型的细菌能够在没有氧气的环境中生存和生长。然而，当今几乎所有的真核生物都必须依赖氧气才能生存。这是因为需氧呼吸——即利用氧气分解食物——能够提供复杂生命所需要的巨额能量。

但近年来，“氧气对所有真核生物一直都是有益的”这一传统观点受到了挑战。此前，科学家们惊奇地发现了一些能够在无氧环境中茁壮成长的神秘真核生物。

地质记录中也出现了越来越多的证据表明，在真核生物最初演化时，氧气可能极为稀缺。这意味着无氧的海洋生境在当时可能是常态。综合这些观察结果，人们开始质疑真核生物自诞生起就一直依赖氧气的传统假设。

对属于最接近第一代真核生物祖先类群的现存微生物开展基因研究，可以为理解真核生物的祖先提供关键见解。然而，只有化石记录才能告诉我们关于早已灭绝的谱系的信息，而只有地质学才能为这些生物所生存的世界提供一扇窗户。

超过12,000枚化石

为了开展这项新研究，我们对保存在达尔文的泥岩芯样品进行了粉碎和溶解处理。通过在显微镜下分析溶解后残留的有机残渣，我们识别出了12,000多枚化石。

我们还对化石得以保存的泥岩进行了研究，以更好地了解沉积物堆积时的环境状况。这为探究这些真核生物所栖息的生境提供了线索。通过分析这些泥岩的化学成分，我们得以确定远古海水环境中是否存在氧气。

我们的结果显示，真核生物化石分布在从沿海泥滩到开阔海洋的多种环境中。然而，它们仅存在于那些在富氧环境中沉积的样品中。来自无氧环境的样品则仅包含结构简单的原核生物形态。

这表明，即使是地球上生活在17亿至14亿年前的最古老真核生物，也对氧气产生了依赖。这些数据为“氧气在驱动早期真核生物演化中发挥了关键作用”这一长期以来的假说提供了有力的支持。

厘清早期真核生物所代表的重大演化飞跃的驱动因素与背景，是生命科学中尚未完全解决的重大核心问题之一。对这些神秘的远古微体化石的持续研究，无疑将告诉我们更多关于人类自身起源以及我们在宇宙中位置的答案。