WeChat ID kexueyougushi About Feature 比科学故事更重要的是科学精神 在堪培拉的澳大利亚国立大学中有一幢建筑，是地球科学系的所在地。地球化学家贝内特（Victoria Bennett）女士的办公室就在里面。现在，代表着生命的黎明的东西，至少是极为接近那一时期的东西，正静静地躺在贝内特办公室的架子上。她是一位美国人，亲切友好，1989 年因为一个为期 2 年的项目从加州来到澳大利亚国立大学，就留了下来，一直到今天。2001 年底，比尔拜访了她，她递给比尔一块毫不起眼的笨重石块，主要成分是细条纹的白色石英和灰绿色的斜辉石，它来自格陵兰的 Akilia岛。1996 年在那里发现了极为远古的岩石，它们是 38 亿年前的海洋沉积物，以前从未被发现过，地球上最古老的微生物就藏在里面。 其实，准确地说，化石化的微生物是找不到的，再仔细也没用，因为在海洋中的泥巴转变成化石的过程中，那些简单原始的微生物早就没了。我们只能靠间接的方法，在敲碎石头之后，我们在显微镜下看到的其实是微生物遗留下来的化学残迹：碳的同位素和一种磷灰石的磷酸盐。这两样东西是极为有利的证据，可以证明石头中曾经是生命的栖息地。至于那些生命是什么样子的，我们只能猜猜而已。很可能只是最最基本的生命形式，但毫无疑问它们也是生命。它们活过、繁殖过。正是这些简单的生命，最终变成了我们。 要像贝内特女士一样深入到古老岩石的内部，澳大利亚国立大学是个首选的去处。我们能有这样的本事要大大感谢一个人，他叫康普斯顿，是个心灵手巧的天才，现在已经退休。是他在上世纪 70 年代发明了世界上首台“高灵敏度高解析度离子显微探测仪”，人们也经常用它首字母的组合，亲切地称之为Shrimp（小虾）。它可以测定一种叫锆石的小矿物质中铀和铅元素的比例，根据铀元素的衰变规律，我们就可以推算出锆石的年龄。而锆石普遍存在于除玄武岩之外的大多数岩石中，并且极为稳定，自然界中除了我们之前讲过的“潜没”运动能消灭它以外，其他的地质运动都不能消灭它。大多数地壳岩石都会在某一时间重新回到地球内部，但也会在某些偶然情况下，一直留在地表上。比如在澳大利亚的西部和格陵兰地区就发现了这些岩石。康普斯顿的仪器能以无与伦比的精度测定这些岩石的年代。“小虾”的原型机是在地球科学系自己的车间中制造的，看上去很像是为了节省开支而用各种零部件拼凑起来的，但却很管用。1983 年，它首次正式测试，就测定出了一块来自澳大利亚西部有 43 亿年历史的古老岩石。 在贝内特的实验室，“小虾”已经升级为了“小虾II号”。那是一个又大又重、不锈钢制成的机器，差不多有 3.5 米长，1.5 米高，坚固得像一个深海探测器。 来自新西兰坎特伯雷大学的小伙子鲍勃坐在操纵台前，目不转睛地盯着屏幕上不断变化的一串数字。他从早上 4 点开始就一直坐在这里，现在是上午 9 点，鲍勃说他要一直干到中午。小虾II号一天 24 小时不停地运转，这台仪器会用带电的粒子流轰击岩石样本，然后检测锆石中铀和铅的微量变化。这样就可以精确地测定岩石的年代。鲍勃说检测样本中的一份锆石需要花 17 分钟，但是为了让数据可靠，同一岩石样本须检测几十份锆石。实际上，这一工作重复枯燥，一点也不刺激，有点像不停地去自助洗衣店。但鲍勃看上去却很开心，新西兰人总是这么开心。 即便到了今天，利用岩石中的锆石测定岩石标本的年龄依然是最主要的测年法之一，在这之后又发展出一些新的测年法，例如 LA-ICP-MS 法和 ID TIMS 法，虽然工艺上有些区别，但是原理上都是通过元素的衰变现象来推算年代，现在已经能做到误差小于 1000 万年。 在贝内特的办公室的墙上有一幅海报画，表现的是一个艺术家对远古地球的丰富想象力。那可能是 35 亿年前的地球，生命刚刚起步，在地球科学中，我们称这一时期为“太古代”。在那幅画上，展示的是一个像是异星球的景象：巨大的活火山，冒着蒸汽，古铜色的大海，天空则是刺眼的红色。在前景的阴影中，充填着一种长着细菌的石头，这种石头叫“层叠石”。这实在不太像一个很有希望诞生和哺育生命的地方。 实际上，这些景象都是出自科学家们的想象，真实的情况可能差别很大，我们现在并不能准确地知道。有一个学派认为当时其实很凉爽，因为太阳还比较弱。如果没有大气层的保护，即便从很暗淡的太阳上发出的紫外线，也会撕碎早期的任何分子键。但是，就是在那个还缺乏大气的地球表面上，就已经开始出现了有机生物。 可以肯定，那时候的世界根本不适合我们。如果你乘坐时光机回到太古代，一脚还没踏出去就会迅速缩回去。因为，那时的地球没有氧气可供呼吸，比今天的火星还不如。整个世界充满了盐酸和硫酸挥发出来的毒气，足以腐蚀掉你的衣服，让你的皮肤起泡。像贝内特办公室中那幅画上的干净又鲜艳的景色，是不可能出现的。大气中密布着浑浊的化学气体，透不过一丝阳光，只有频频发生的闪电，短暂地照亮大地。总之，这的确是地球，但你绝对认不出来。 在 20 亿年前，细菌是这个星球上唯一的生命形式。它们只是活着，繁殖自己，越来越多，但丝毫没有表现出要走向更高一个层次的存在。在地球头10亿年的某个时刻，藻青菌，或者是蓝藻菌学会了利用一种天然的资源，也就是在水中大量存在的氢元素。它们首先吸入水分子（H20），然后吃掉其中的氢元素，把氧气作为废料排出来。这就是大名鼎鼎的光合作用。马克里斯（Margulis）和萨根（Sagan）指出，光合作用“无疑是我们这个行星的生命历史上，最为至关重要的发明。”这项发明权并不属于植物，而是细菌。 随着藻青菌的激增，这个世界开始充满氧气。但这却让一些微生物惊骇不已，因为氧气对它们而言是剧毒。这样的微生物在那时比比皆是。我们血液中的白细胞杀死入侵细菌的一种重要手段就是利用氧气。很多人听到这一点往往会感到吃惊，因为我们觉得氧气对健康很有益，其实，那只不过是因为我们已经进化得离不开它了。对很多别的东西来说，氧气是很可怕的。它使黄油变质，铁生锈。甚至我们对它的忍耐力也有一定的限度。氧气在我们细胞中的浓度一般只有大气浓度的十分之一。 新诞生的好氧生物具有一个优势，它们产生能量的效率更高，所以，它们总体繁殖的更快。而厌氧微生物越来越不适应新环境，它们一部分退到了淤泥中，即沼泽和湖底。另一些则在晚些时候（应该说是相当的晚）移居到了动物的消化道中，比如你和我的消化道中。数量庞大的这类原始的实体正生活在你我的体内，帮助我们消化食物。不过我们最熟悉的大肠杆菌倒是不怕氧气。当然，也有数不清的厌氧微生物因无法适应新环境而最终退出了历史的舞台。 藻青菌在生存竞争中取得了胜利。一开始，它们所生产出的氧气并没有积聚到大气中，而是与铁化合成了氧化铁，沉入到了原始海洋中。有这么几百万年的时间，世界是真的生锈了。这一现象被海底的条形铁沉积物生动地记录了下来，也为今天提供了极为丰富的铁矿石。在此后的几千万年中，没有什么更特别的事情发生。如果你回到那个被称为“太古代”的早期地球世界，你找不到什么迹象能看出这些生命的未来很有前途。也许你能在四处发现一些隐蔽的小水池，水面上漂浮着一层像浮渣一样的活体生物；在海岸边的岩石上，或许还能发现一些褐绿色的东西，亮晶晶的。除此之外，就再也看不出生命的迹象了。 但是到了 35 亿年前，有一些更重要的事情开始显露出来。在所有的浅海中，出现了一种可被观察到的结构变化。藻青菌在简单重复的化学过程中变得有了一定的黏性，于是它们会吸附灰尘和沙子，黏结成了一种有点儿古怪但又坚硬的结构体，这就是贝内特办公室墙上海报中画的那种层叠石。它们的形状和大小各异，有些长得像巨大的花椰菜；有些像是毛茸茸的床垫；有些又长成圆柱体，升出水面几十米，甚至百米高。从表现形式来看，层叠石就是一种活的岩石，它们代表了世界上第一个合作项目。许多原始的微生物有的生活在水面以上，有的生活在水面以下，互相依赖对方创造出来的条件而生存。世界有了第一个生态系统。 很多年来，科学家们都是通过化石来了解层叠石的情况。但是没想到在 1961 年，科学家在澳大利亚西北部遥远的沙克湾竟然发现了活着的层叠石，这给了他们一个大大的惊喜。这实在是出乎意外，大大的出人意料，实际上科学家用了好几年时间才真正意识到他们发现了什么。今天，沙克湾已经成了旅游点，至少在方圆几百里之内，没有什么其他更能吸引游客的地方了。用木板架成的人行道一直伸进海湾中，游客可以漫步在水面上，仔细地观看那些正在水下安静呼吸着的层叠石。它们看上去灰巴拉叽的，没有什么光泽，有点像一大坨牛粪。但是，如果你意识到你正在看的可是 35 亿年前地球生命的残余，并且是活着的，你难道不会感到目眩神迷吗？正如英国著名古生物学家理查德·福特（Richard Fortey）所说：“这是真正的时光旅行啊。如果以真正的价值来评价世界奇迹的话，这个景观应当与吉萨金字塔齐名。”乍一看到这些毫不起眼的石头时，你肯定想不到它们是由无数的活生物构成。据估计，每平方米岩石上生活着 36 亿个微生物。如果你观察的够细，有时会看到从岩石表面上冒出一串气泡，这就是它们释放的氧气。在 20 亿年的时间里，就是这样小小的努力，日积月累，使得地球大气中的氧气含量升高到了 20%，为生命史上的下一个篇章铺平了道路。如果大家想看看这个在古生物学家眼里堪比吉萨金字塔的奇迹，可以到我的“科学有故事”的微信公号中回复关键词“层叠石”三个字，就是层层叠叠的石头，层叠石。 据认为，沙克湾的这些层叠石可能是地球上进化最慢的生物，也肯定是世界上最稀有的物种之一。它们是“舍己为人”的一种生物，在为别的生物创造了合适的生存条件后，它们自己却几乎在所有的地方都被挤出局。为什么它们在沙克湾还存在呢，科学家们认为可能是因为那里的海水盐度太高，不适合那些会吃掉它们的生物。 生命之所以用了那么久才变得复杂起来，其中一个原因就是整个世界在等待足够多的氧气。用理查德·福特的话说，“因为动物们需要足够的氧气才有力气干活。”地球等了 20 亿年，差不多是地球整个历史的 40%，才终于等到氧气的浓度达到与现代差不多的水平。但是，时机一旦成熟了，几乎是突然之间，一种崭新的细胞出现了，它们包含一个核和其它一些小结构，统称为“细胞器”。这一切是怎么发生的呢？据认为是这样：有这么一些鲁莽又爱冒险的细菌互相入侵对方，也或者是互相捕获了对方，总之一结合后就使得双方都很舒服，不想分开了。于是，被捕获的细菌变成了线粒体，至少科学家现在是这么认为的。这种线粒体入侵（生物学术语称为“内共生”事件）使得复杂生命成为可能。（在植物界，类似的入侵产生了叶绿体，使得植物可以进行光合作用。） 线粒体操控着氧以某种方式释放食物中的能量。要不是这种绝妙的把戏，地球上的生命永远都只是生活在淤泥中的原始微生物。线粒体非常非常小，你可以把 10 个线粒体打包进一粒沙子大小的空间中，但它们却饥肠辘辘，你摄取的几乎所有营养都喂给了它们。 如果没有线粒体，我们连 2 分钟也活不到。即使已经过去了 10 亿年之久，但是线粒体的许多表现行为似乎表明，它认为和我们之间还有些问题解决不掉。它们拥有属于自己的 DNA、RNA 和核蛋白体。它们与宿主细胞并不是同时分裂。它们看起来更像是一种细菌。在遇到抗菌素时，会做出与细菌类似的反应。它们的基因“语言”甚至是与它们的宿主细胞不同的。总之，它们似乎收拾好了行李，随时可以出走。就像你家里来了一个陌生人，但是来了 10 亿年也不走。 有了线粒体的这种新型细胞就被称为“真核细胞”（与之相对的旧类型被称之为“原核细胞”）。它们似乎是突然出现在化石记录中的。现在已知的最古老的真核细胞叫卷曲藻，它是 1992 年在密歇根的铁沉积物中发现的。在该化石之后的 7 - 10 亿年中，竟毫无发现。 从此，地球迈出了成为一颗真正有意思的行星的第一步。与真核细胞相比，原核细胞只不过是“一小袋化学物质”。真核细胞要比它的表兄原核细胞大一万倍，能携带 1000 倍之多的 DNA。感谢这一伟大的突破性进展，生命因此逐渐变得复杂起来，最终创造了两类生物：一种排出氧气（比如植物）；另一种摄入氧气（比如你和我）。 只有一个真核细胞的生物被叫做“原生生物”，相对于细菌而言，这种新生的原生生物在设计的精巧性上堪称奇迹。比如，一个最简单的变形虫，仅仅只有一个细胞，除了生存，没有任何的雄心壮志。但在它的 DNA 中，却包含了 4 亿条遗传信息，足以写成 80 本 500 页的书。 最终，真核细胞差不多用了 10 亿年学会了一种更加独特的把戏，这个把戏实在是太伟大了。它们学会了组合在一起形成更复杂的生物。感谢这一伟大的发明，使得像人类这样又大又复杂的实体成为可能。 然而，我想让你记住，我们这个世界直到今天，依然是微生物的天下，微生物依然主宰着行星地球，人类不但没有驾驭微生物的本领，今天如果我们和微生物真要开战，那几乎没有悬念，输掉的一方肯定是我们。科学有故事，下期节目，咱们就来聊微生物。 往期 生命起源于海洋、陆地还是地外？ 奢侈的海鲜和生命的起源 意外连连的海洋 美丽而危险的一氧化二氢 水槽中的漩涡是地球自转的证据吗？ 一次台风相当于多少颗原子弹？ 维持地球生命的条件 裸潜是种什么体验？ 长按识别二维码，收听更多 信扫一扫赞赏作者 Reward   reward(s) Long-press QR code to transfer me a reward As required by Apple's new policy, the Reward feature has been disabled on WeChat for iOS. You can still reward an Official Account by transferring money via QR code. Go to "Discover" > "Top Stories" > "Wow" Posted Sending Scan with WeChat tofollow the Official Account