閆寧
2016年9月,《自然》雜志報(bào)道稱(chēng)在格陵蘭發(fā)現(xiàn)了假定的疊層石,距今37億年。如果珊瑚礁由微生物而不是珊瑚構(gòu)成,那么疊層石就有點(diǎn)像古老的化石珊瑚礁。這是早期地球上最易于識(shí)別的生命證據(jù)之一。雖然地球生物學(xué)家阿比蓋爾·奧爾伍德曾經(jīng)寫(xiě)到,這些化石具有“相當(dāng)可信的微生物活動(dòng)標(biāo)志”的特征,但地球生物學(xué)家羅杰·別克卻對(duì)此持懷疑態(tài)度,他說(shuō):“我有14個(gè)疑問(wèn)需要解答,否則不能相信。”
2017年春天,地球生物學(xué)家多米尼克·帕皮諾及其同事報(bào)告說(shuō),在魁北克年齡為37.7億至42.8億年的富含鐵的巖石、赤鐵礦管和赤鐵礦絲中發(fā)現(xiàn)了化石中的微生物,其外表與現(xiàn)今生活在熱液噴口處的微生物相似。有人否定了他們的發(fā)現(xiàn),認(rèn)為那只不過(guò)是“疑似化石”而已。地質(zhì)學(xué)家漢斯·霍夫曼于1972年提出用這個(gè)詞來(lái)形容有爭(zhēng)議的化石。霍夫曼說(shuō),“化石” 是生物得到了證實(shí),“假化石”像生物但屬于無(wú)機(jī)物,“疑似化石”(也被稱(chēng)為問(wèn)題化石或雜化石)則含糊不清。誰(shuí)也不能確定這些發(fā)現(xiàn)中有沒(méi)有古老的石化生物。
早在19世紀(jì)初“生物學(xué)”成為一門(mén)學(xué)科之前,科學(xué)家就努力去理解什么是“生命”。大約1000年前,亞里士多德在《存在的階梯》中就描述了一個(gè)連續(xù)體的自然排列,從巖石到人類(lèi)的完美進(jìn)步。17世紀(jì)的博物學(xué)家阿薩內(nèi)修斯·基歇爾相信活力論在不同的物質(zhì)中都有所體現(xiàn),礦物的力量在衰減中形成了一些化石,這種衰減過(guò)程類(lèi)似動(dòng)植物的生長(zhǎng)過(guò)程。19世紀(jì)的德國(guó)浪漫主義者,如諾瓦利斯和約翰·沃爾夫?qū)ゑT·歌德對(duì)洞穴產(chǎn)生了極大興趣,認(rèn)為同樣的個(gè)體力量產(chǎn)生了結(jié)晶,在人類(lèi)中達(dá)到了高潮。“生命本身”并不存在,一切都是有機(jī)物。
今天的教科書(shū)給高中生傳授這樣的知識(shí):生命具有特定的能力,如繁殖、新陳代謝、適應(yīng)、自我組織和生長(zhǎng)。但是,生物學(xué)家和其他科學(xué)家對(duì)于生命為什么獨(dú)特這個(gè)問(wèn)題并不那么明確。1943年,物理學(xué)家歐文·薛定諤回答了“什么是生命”這個(gè)問(wèn)題,他認(rèn)為生命是一個(gè)負(fù)熵系統(tǒng),跟其他任何系統(tǒng)一樣。這種思想影響了該世紀(jì)中葉的分子生物學(xué)家,他們借助控制論將生命想象為由分子“信息”組成的信號(hào)跟蹤器和同態(tài)調(diào)節(jié)器。由于某種原因,DNA仍被稱(chēng)為“代碼”。20世紀(jì)末,不同的科學(xué)家也根據(jù)混沌理論、熱力學(xué)和其他物理過(guò)程來(lái)定義生命,計(jì)算機(jī)科學(xué)家甚至相信他們可以在電腦上產(chǎn)生人造生命。
地質(zhì)學(xué)家在巖石中查找化石,這將幫助我們通過(guò)識(shí)別生物化石來(lái)解決生命構(gòu)成的難題。對(duì)于時(shí)間較近的化石,比如說(shuō)恐龍化石,答案很簡(jiǎn)單。恐龍雖然已經(jīng)滅絕,但它們的遺體看起來(lái)很像現(xiàn)存的生物體:雙側(cè)對(duì)稱(chēng),具有顯著的特征,如骨骼、牙齒和尾巴。但是,在5.41億至5.39億年前的寒武紀(jì)爆發(fā)之前,生命是完全不同的,當(dāng)時(shí)是在一個(gè)進(jìn)化的發(fā)作中,我們今天認(rèn)識(shí)到的大多數(shù)動(dòng)物的身體形態(tài)突然出現(xiàn)。那么,那些生活和死亡在幾乎完全不同于現(xiàn)在地球上的第一生命形式的殘骸是怎樣的呢?當(dāng)時(shí)大陸還沒(méi)有擠成一團(tuán),地球還很年幼,海洋是硫黃,頭頂是蒼白的太陽(yáng),大氣中缺少氧氣,潮汐激增,每個(gè)月只有20天。人們?cè)撊绾握J(rèn)識(shí)年齡在25億至39億年的化石呢?
這是驅(qū)動(dòng)地球生物學(xué)這個(gè)學(xué)科發(fā)展的一個(gè)問(wèn)題。這個(gè)學(xué)科起源于20世紀(jì)中葉,它的重大推論稱(chēng)地球和生命是互相聯(lián)系的,我們的星球隨著生命的進(jìn)化而變化。早期的地球與今天的地球截然不同,在早期的地球上搜尋化石,與我們想弄清楚火星、冰冷的月亮和系外行星上的生命是什么樣子同樣困難。這些問(wèn)題并不新鮮。在19世紀(jì)中葉,自然主義者辯論一個(gè)名叫曙動(dòng)物的奇怪實(shí)體是否是第一個(gè)生命形式;20世紀(jì)中葉的地理生物學(xué)家為研究新領(lǐng)域設(shè)定了指導(dǎo)方針,他們熱烈辯論如何區(qū)分真實(shí)的化石和石頭中逼真的印記;今天,地球生物學(xué)家的工作也有助于我們思考如何識(shí)別其他星球上的生命。
19世紀(jì)中期的一系列地質(zhì)發(fā)現(xiàn)雖然鮮為人知,但首次表明了古生物的歷史可能更長(zhǎng),遠(yuǎn)至地球的遠(yuǎn)古時(shí)期,甚至到生命的起源本身。在1858年,寒武系地層下面的巖石并不被稱(chēng)為前寒武紀(jì),而是“無(wú)生代”,因?yàn)闆](méi)有人相信那里能找到生命。然而就在同一年,加拿大地質(zhì)調(diào)查局的一位收藏家在勞倫系地層中發(fā)現(xiàn)了一種酷似石灰?guī)r的生物。威廉·道森曾經(jīng)師從查爾斯·萊爾,后來(lái)?yè)?dān)任位于加拿大蒙特利爾的麥吉爾大學(xué)的校長(zhǎng),他對(duì)巖石進(jìn)行了檢查分析,說(shuō):“特殊的疊層形式,由石灰和蛇紋石碳酸鹽交替組成,或由石灰和白色輝石碳酸鹽組成?!痹凇段锓N起源》(1859年)中,查爾斯·達(dá)爾文指出(現(xiàn)在被稱(chēng)為“達(dá)爾文的困境”),如果他的自然選擇論正確的話,那么化石記錄應(yīng)該顯示有機(jī)體在最低志留紀(jì)階層沉積之前?!段锓N起源》出版之后,關(guān)于原始化石存在的科學(xué)爭(zhēng)論出現(xiàn)了波動(dòng)。然而,找到化石很困難——如果說(shuō)達(dá)爾文的觀點(diǎn)正確,那么這些化石在哪里?
道森是一位反達(dá)爾文主義者,但他認(rèn)識(shí)到他看到的無(wú)疑是有機(jī)的模式——他相信那是巨型有孔蟲(chóng)的骨骼遺骸(生長(zhǎng)著堅(jiān)硬外殼的單細(xì)胞有機(jī)體)。在論證這塊巖石具有真正的有機(jī)成因的時(shí)候,道森專(zhuān)注于他所謂的化石的“美麗和復(fù)雜性”。他注意到,要是只靠純粹的物理化學(xué)手段,他確定的一系列微管都不可能形成。1865年,他站在蒙特利爾自然歷史學(xué)會(huì)前,命名該有機(jī)體為“加拿大的曙動(dòng)物”,認(rèn)為該有機(jī)體是地球上所有生命的祖先。
道森讓曙動(dòng)物在反對(duì)自然選擇論的運(yùn)動(dòng)中為自己辯解,因?yàn)榍暌詠?lái)它一直沒(méi)有改變。在《地球生命的黎明》(1875)中他這樣寫(xiě)道:
我是加拿大曙動(dòng)物……我發(fā)現(xiàn)自己生長(zhǎng)在海底,不知道是什么時(shí)候來(lái)的。我成長(zhǎng)和繁榮了許多年,沒(méi)有什么阻礙我的發(fā)展,豐富的食物總是向我漂來(lái),我不用去尋找吃的。
曙動(dòng)物是一個(gè)可塑性的發(fā)現(xiàn)。如果你是19世紀(jì)60年代的地質(zhì)學(xué)家或博物學(xué)家,無(wú)論你是否相信曙動(dòng)物的存在,將它提出來(lái)進(jìn)行辯論是有益的事。如果曙動(dòng)物是一個(gè)烏爾動(dòng)物,那么它也許就是達(dá)爾文在化石記錄中注意到的第一個(gè)缺環(huán)?;蛘撸绻谑飫?dòng)物和第二類(lèi)古老化石之間只有千年的沉默,那么它可能是反對(duì)自然選擇的證據(jù):也許生物保持相同或者多次出現(xiàn),但從未進(jìn)化。
懷疑論者聲稱(chēng),化石僅僅是一種“ 假晶”,似乎活著,但并非如此令道森非常失望的是,1866年達(dá)爾文對(duì)曙動(dòng)物的辯論做出回應(yīng),贊同他的觀點(diǎn)。達(dá)爾文在《物種起源》第四版增加了這樣的話:“在閱讀了對(duì)這個(gè)非凡化石的描述之后,不可能對(duì)其有機(jī)性質(zhì)產(chǎn)生任何懷疑。”
然而,曙動(dòng)物懷疑論者聲稱(chēng)化石僅僅是一種“假晶”,似乎活著,實(shí)際上并非如此。他們認(rèn)為它是對(duì)生命的“模仿”,或者說(shuō)是生命的“痕跡”,但其形式很規(guī)則,非有機(jī),簡(jiǎn)直不可思議。盡管看上去美麗而又復(fù)雜,曙動(dòng)物之說(shuō)的人氣依然在19世紀(jì)后半期漸漸式微。1888年,《美國(guó)地質(zhì)學(xué)家》雜志向14位著名的地質(zhì)學(xué)家進(jìn)行了調(diào)查,請(qǐng)教他們加拿大曙動(dòng)物是否具有有機(jī)物屬性, 結(jié)果只有3人肯定,其中包括道森(他給化石命了名)和查爾斯·杜利特爾·沃爾科特(1914年,他發(fā)現(xiàn)了伯吉斯頁(yè)巖中寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的記錄)。有關(guān)曙動(dòng)物的爭(zhēng)論開(kāi)始銷(xiāo)聲匿跡。1894年,曙動(dòng)物之謎被揭開(kāi):它只不過(guò)是一塊石頭,即石灰石上面點(diǎn)綴了一點(diǎn)蛇紋石。
在接下來(lái)的半個(gè)世紀(jì)里,很少有科學(xué)家研究前寒武紀(jì)化石。然后,到了1953年,威斯康星大學(xué)的礦物學(xué)家斯坦利·泰勒發(fā)現(xiàn)了燧石鐵。他在蘇必利爾湖釣鱒魚(yú)的時(shí)候,從船上看到一塊露出水面的厚厚的疊層石——巨大的微生物化石礁。在顯微鏡下,泰勒還發(fā)現(xiàn)了嵌入燧石中的微小的逼真的形體,用他的話說(shuō),就是“給前寒武紀(jì)變質(zhì)的面紗打開(kāi)了一個(gè)窗口”。泰勒及其同事、哈佛大學(xué)的古植物學(xué)家艾爾索·巴霍恩共同確定了19億年前的球狀體和細(xì)絲狀體已經(jīng)化石化。1954年,他們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上用簡(jiǎn)短的文字宣布他們發(fā)現(xiàn)了前寒武紀(jì)藍(lán)細(xì)菌。1965年,古生物學(xué)家普萊斯頓·克勞德獨(dú)立驗(yàn)證了泰勒和巴霍恩的發(fā)現(xiàn),從而使人們不再擔(dān)心這些化石可能是非活力過(guò)程產(chǎn)生的。他宣布,這是“有記錄的最古老結(jié)構(gòu),與特定的生物體非常相似”。地質(zhì)學(xué)界首次普遍認(rèn)可了前寒武紀(jì)化石的存在,推出了現(xiàn)代地球生物學(xué)。
隨后就出現(xiàn)了前寒武紀(jì)熱。1965年,巴霍恩的研究生威廉·比爾·邵普夫在澳大利亞苦泉組發(fā)現(xiàn)了8億年前的微化石;20世紀(jì)70年代,巴霍恩及其另一位研究生安德魯·諾爾在澳大利亞發(fā)現(xiàn)了34億年前的化石細(xì)菌。突然之間,我們?cè)谀_下發(fā)現(xiàn)了保存完好的古代生命。如果說(shuō)在19世紀(jì)生命的形式顯得復(fù)雜,那么到了20世紀(jì)70年代,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的最初的生命形式卻非常簡(jiǎn)單。化石中的微生物往往是球體或細(xì)絲,而氣泡、晶體和其他無(wú)機(jī)物工藝品很容易模仿,所以就潛伏著關(guān)于生命形態(tài)的一場(chǎng)爭(zhēng)論。
1979年,在西澳大利亞,前寒武紀(jì)古生物學(xué)研究組的成員開(kāi)始對(duì)北極附近的瓦拉沃納化石群(現(xiàn)在很著名)進(jìn)行實(shí)地考察。1980年,他們?cè)凇蹲匀弧冯s志上發(fā)表了他們?cè)谀抢锇l(fā)現(xiàn)的太古代疊層石——這是當(dāng)時(shí)已知最古老的化石,年齡超過(guò)5億年。這篇文章最初計(jì)劃在《科學(xué)》雜志刊登,但在文章刊登之前的幾周,領(lǐng)銜地球生物學(xué)的斯坦利·奧拉米克聯(lián)系了前寒武紀(jì)古生物學(xué)研究組,說(shuō)他在相同的巖石中發(fā)現(xiàn)了微小的有機(jī)纖維和球狀體。奧拉米克寫(xiě)了好幾篇文章,宣布他發(fā)現(xiàn)的實(shí)際上是地球上最古老的已知生命標(biāo)志。研究過(guò)北極地區(qū)化石并且在最初與其合著論文的羅杰·別克仍然對(duì)這些最古老的生命形式持懷疑態(tài)度,他從出版物中撤回了自己的名字。這樣一來(lái),《科學(xué)》雜志便拒絕公布調(diào)查結(jié)果,后來(lái)才發(fā)表到其他雜志,隨后是別克一系列的詛咒和駁斥。他問(wèn):“物體形態(tài)復(fù)雜到什么程度,可以肯定此物體是微生物遺跡?”別克總結(jié)說(shuō):“在太古代巖石中從未發(fā)現(xiàn)過(guò)普遍公認(rèn)的微化石?!?/p>
前寒武紀(jì)古生物學(xué)研究組的創(chuàng)始人邵普夫立即報(bào)告稱(chēng),瓦拉沃納化石具有可疑來(lái)源,提出了位點(diǎn)特異性和可復(fù)制性的問(wèn)題。幸運(yùn)的是,邵普夫自己恰好有瓦拉沃納化石。他聲稱(chēng),這些微化石確證,微生物生命不僅早在34.6億年前就已開(kāi)始,而且是光合作用的產(chǎn)物,這比光合作用下微生物的下一個(gè)古老證據(jù)還要早整整10億年。在1986年至1993年的一系列論文中,邵普夫發(fā)表了他的證據(jù)。
邵普夫的研究并沒(méi)能說(shuō)服每個(gè)人,尤其是牛津大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家馬丁·布拉西爾。布拉西爾報(bào)告說(shuō),邵普夫1987年派他的研究生波妮·派克去了瓦拉沃納,他還發(fā)表了一篇聲明,證明在派克考察回來(lái)之前就已發(fā)現(xiàn)了最古老的微化石,當(dāng)時(shí)她還沒(méi)有對(duì)采樣進(jìn)行評(píng)估。派克在實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品進(jìn)行檢查之后,開(kāi)始產(chǎn)生懷疑,選擇不參與進(jìn)一步的研究,可是當(dāng)時(shí)這已經(jīng)是著名的邵普夫“頂點(diǎn)燧石”化石了。
邵普夫的頂點(diǎn)燧石化石成為尋找太古代生命的地球生物學(xué)家收集的每件疑似化石的典型。正如亨利·吉后來(lái)在《自然》雜志上描述的那樣:“很難說(shuō)得清細(xì)菌(特別是化石細(xì)菌)和氣泡之間有什么區(qū)別?!崩聿榈隆た藸栐凇犊茖W(xué)》雜志中提出了一個(gè)類(lèi)似的問(wèn)題:這些是最早的生命跡象,還是形狀怪異的雜物?布拉西爾將這個(gè)問(wèn)題視為一種推論:對(duì)研究早期生命的許多地理生物學(xué)家而言,如果看起來(lái)像藍(lán)細(xì)菌……那么最簡(jiǎn)約的解釋就是它是一種藍(lán)細(xì)菌。然而,形態(tài)的相似性,或者拿古代的生命與現(xiàn)在的生命進(jìn)行比較,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了——栩栩如生的疑似化石往往不是無(wú)機(jī)模式。
布拉西爾引用科學(xué)哲學(xué)家卡爾·波普爾的話,為確定化石中的生命提供了最保守的標(biāo)準(zhǔn):“非常古老的/外來(lái)的微化石樣結(jié)構(gòu),除非可驗(yàn)證它們屬于非生物體且可以推翻生物起源說(shuō),否則不應(yīng)否認(rèn)其生物起源?!辈惶J氐牡厍蛏飳W(xué)家指出,這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不僅會(huì)抹殺所有太古化石,而且如果應(yīng)用到時(shí)間更近的化石中,也會(huì)使這些化石受到質(zhì)疑。任何化石都不可能被完全證明曾經(jīng)具有生命??茖W(xué)研究取決于可證偽性,具有諷刺意味的是,布拉西爾的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有堅(jiān)持這個(gè)原則。作為一種回應(yīng),諾爾用更易處理的“諾爾假說(shuō)”反駁了布拉西爾的“零假設(shè)”:良好的生命標(biāo)志是難以通過(guò)無(wú)機(jī)過(guò)程完成的,但不是沒(méi)有這種可能性。
頂點(diǎn)燧石爭(zhēng)議為地球生物學(xué)家澄清了地球上早期生命的局限性,幫助他們形成了一系列嚴(yán)格的策略,用于證明化石可能印證地球上的早期生命或其他星球上的生命。雖然大多數(shù)地質(zhì)學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)否定了頂點(diǎn)微化石之說(shuō),但是在大衛(wèi)·瓦西確認(rèn)頂點(diǎn)燧石為“非微化石,僅僅是偶然排列的碳斑點(diǎn)”之后,駁斥頂點(diǎn)燧石說(shuō)的論文仍然繼續(xù)發(fā)表。當(dāng)頂點(diǎn)燧石從一個(gè)疑似化石淪為偽化石之后,幾十年的來(lái)源爭(zhēng)論迫使地球生物學(xué)家重新考慮他們應(yīng)該如何評(píng)估古代巖石中的生命形式。
近幾年來(lái),地球生物學(xué)家已經(jīng)疏遠(yuǎn)了被視為古代生命良好指標(biāo)的形態(tài)學(xué)。在我們今天看來(lái),很多古老的東西都很像我們期望看到的古代生命的樣子,其形式、復(fù)雜性或簡(jiǎn)單性都是如此。如果“美”和“復(fù)雜”曾經(jīng)成為生命的標(biāo)記,而后來(lái)的地球生物學(xué)家尋找的是最簡(jiǎn)單形式的早期生命,那么這是不夠的。在尋找古代生命時(shí),任何東西都不能夠從視覺(jué)上區(qū)分其生命與非生命。簡(jiǎn)而言之,尋找古代生命不再是尋找古代生命形式。
地球生物學(xué)家現(xiàn)在將注意力集中在生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)背景上,例如巖石巖化的周?chē)怒h(huán)境、石化過(guò)程中的退化跡象,以及分析生物化學(xué)和化學(xué)生物標(biāo)記。借用地質(zhì)學(xué)家約翰·埃勒的話來(lái)說(shuō),他們希望采用這樣的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)更有效地區(qū)分“最古老的化石”與“僅僅是另一種巖石”。隨著地球生物學(xué)家與地球化學(xué)家、地質(zhì)年代學(xué)家、地層學(xué)家和地磁學(xué)家越來(lái)越多的聯(lián)合,這種多樣化和嚴(yán)格的非形態(tài)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)能夠得到協(xié)調(diào)運(yùn)用。
困擾古微生物學(xué)研究的這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在延伸到了天體生物學(xué),即我們星球之外的生命。簡(jiǎn)而言之,如果地球生物學(xué)家無(wú)法確定地球的生命是什么樣子的話,那么他們研究外星生命有什么機(jī)會(huì)呢?舉個(gè)具有諷刺意味的例子:邵普夫繼續(xù)擁護(hù)他的頂點(diǎn)燧石說(shuō),然而,在1996年8月美國(guó)航空航天局召開(kāi)的新聞發(fā)布會(huì)上,他卻用自己的疑似化石觀點(diǎn),使大家懷疑火星隕石ALH84001的生命起源特性。
“我會(huì)告訴你這個(gè)星球上最古老的生命跡象,”他在新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō),并且展示了1993年頂點(diǎn)燧石微化石的顯微圖像,“這些顯然都是細(xì)胞……這些顯然都是化石?!彼麍?jiān)稱(chēng),地球生物學(xué)家開(kāi)發(fā)的測(cè)試頂點(diǎn)燧石疑似化石的標(biāo)準(zhǔn)必須應(yīng)用于所有的外星疑似化石,而這種隕石沒(méi)有通過(guò)他的測(cè)試。正如吉后來(lái)概括的那樣:“這是認(rèn)為極端時(shí)空中存在生命這一問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。”無(wú)論是在19世紀(jì)60年代,還是20世紀(jì)60年代或者今天,在這里或其他什么地方,化石生命和非生命都沒(méi)有明確的界線。
生命是什么或不是什么,它像什么或不像什么,什么時(shí)候出現(xiàn)或怎樣出現(xiàn)(或者它出現(xiàn)的頻率有多高),是研究人員始終要提的問(wèn)題。無(wú)論是理論探討還是具體的學(xué)科研究,如自然選擇、古生物猜想,以及生命是否應(yīng)理解為物質(zhì)、過(guò)程或自組裝。當(dāng)我們問(wèn)及生命從哪里來(lái),生命看起來(lái)像什么時(shí),我們是在問(wèn)哪些特質(zhì)定義了生命的輪廓:模式或結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單性或復(fù)雜性、形式或信息、新陳代謝或繁殖。這意味著生命是一個(gè)概念:它具有意義和表義的力量,它載有歷史的包袱、哲學(xué)的期望和科學(xué)的框架。但是,說(shuō)生命需要辯論肯定不會(huì)打擊那些尋求生命并且有時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)生命千姿百態(tài)的科學(xué)家。相反,這意味著我們的生命理論非常生動(dòng)。
火星2020任務(wù)將收集新的巖石,并可能激起疑似外星生命化石說(shuō)的再次爭(zhēng)論。我們還不知道這些化石會(huì)是什么奇妙的形式,但歷史證明許多火星人的說(shuō)法都值得懷疑。