地球早期生命的形式到底是怎样的？

2016年9月，《自然》杂志报道，格陵兰岛发现了疑似37亿年前的叠层石。叠层石有点像古代的珊瑚礁化石，只不过这些叠层石是由微生物组成的，而不是珊瑚虫。它们是早期地球存在生命最容易辨认的证据之一。尽管如此，许多科学家仍对此持怀疑态度：尽管地球生物学家阿比盖尔·奥尔伍德(Abigail Allwood)写道，这些化石显示出“相当可信的微生物活动特征”，但地球微生物学家罗杰·别克(Roger Buick)还是翻了个白眼，说道：“想让我相信，除非能解决我对此的14个问题。”

去年春天，地球生物学家多米尼克·帕皮诺(Dominic Papineau)和他的同事报告称，在魁北克省37.7至42.8亿年前富含铁的岩石中发现了微生物化石：赤色的管状虫体和细丝的外观与如今生活在热液喷口中的微生物相似。另一些人则将他们的发现斥为“疑似化石(dubiofossils)”，地质学家汉斯•霍夫曼(Hans Hofmann)在1972年发明了这个词，用来形容有争议的化石。霍夫曼写道，化石被证明是生物的;“假化石”与生命相似，但都是无机物;“疑似化石”(也被称为Problematica(不能确定其分类的生物)或杂录)是模棱两可的。没有人确定这些发现是否证明发现了古代石化生物。

几个世纪以来，在19世纪早期“生物学”还未成为一门学科之前，科学家们就一直在努力地思考是什么构成了“生命”。几千年前，亚里斯多德的《自然之梯》(即存在之梯)描述了在一个连续统一体中排列的自然界，从岩石到人类，按照进化的完美程度进行排列(天主教会把上帝和天使加冕在这把梯子上;卡尔·林奈悄悄地把它们从他自己的分类法中去除了)。17世纪的博物学家Athanasius Kircher认为活力论在不同的物质中都留下了深刻的印象，矿物力量形成了一些化石，其衰减过程类似于植物和动物的生长。19世纪的德国浪漫主义者如诺瓦里斯(Novalis)和约翰·沃尔夫冈·冯·歌德( Johann Wolfgang von Goethe)被洞穴迷住了，他们认为同样的个性化力量(Triebkraft)在人类身上达到了顶峰。“生命”本身并不存在，所有的生命都是有机的。

今天的教科书告诉高中生，生命是以特定的能力为特征的——繁殖、新陈代谢、适应、自我组织、成长。但是生物学家和其他科学家对于生命的独特性却没有那么坚定。1943年，欧文·薛定谔(Erwin Schrodinger)回答了这个问题：“生命是什么?”对于一个物理学家来说，这是一个负熵系统，和其他系统一样。这种想法影响了上世纪中叶的分子生物学家，他们借用控制论的理论，将生命视为是由分子“信息”组成的信号、伺服机构和动态平衡， DNA仍然被称为“密码”不是没有原因的。在20世纪末，不同的科学家也根据混沌理论、热力学和其他物理过程来定义生命。计算机科学家相信他们能在计算机上产生人工生命。

地质学家检查岩石中的化石能够通过鉴定生命遗骸的方式来帮助我们理解生命是由什么构成的难题。对于相对较近期的化石——比如恐龙——答案很简单，虽然已经灭绝，但它们的身体看起来很像现存的生物：两侧对称，具有骨骼、牙齿和尾巴等显著特征。但在寒武纪大爆炸(5.39 - 5.41亿年)前，生命的形式是完全不同的。在进化的阵发性爆发中，我们今天所认识的大多数动物的身体形式突然出现了。那么，之前存在的那些生命形式呢?它们生活在一个与我们现在的地球几乎完全不同的地球，那时候大陆还没有出现，年轻地球的表面被硫磺海洋覆盖，大气层只有一个苍白的太阳，缺乏氧气，潮汐飙升，一个月仅有20天。如果生命存在在这样的环境下，一个人该如何识别25到39亿年的化石呢?

这是推动地球生物学发展的问题之一，这门学科起源于20世纪中期，其前身是古生物学、地质学和生命科学等古老领域。地球生物学有一个重大假设，那就是地球和生命是相互作用的，我们的星球随着生命的进化而改变。在早期的地球上寻找化石，这类似于在火星、冰冷的卫星和系外行星上寻找生命的努力，因为那时候的地球在很多方面都与今天的地球有很大的不同。这样的问题并不新鲜。19世纪中期，博物学家们就一种名为“亿生代”的奇怪实体是否可能是第一种生命形式展开了争论;在世纪中叶，地球生物学家为他们充满争议的新领域的研究制定了指导方针：如何从化石中分辨出栩栩如生的印记和那些真正的化石。今天，地球生物学家的工作也帮助我们思考如何识别其他行星上的生命。

尽管鲜为人知，但19世纪中期的一系列地质发现首次表明，古生物学可能有更长的历史，这一历史可以追溯到远古时期，甚至是生命本身的起源。在1858年，寒武纪地层下的岩石不叫前寒武纪;它只是简单地被称为“无生代”，因为没有人相信在那里能找到生命。但同年，加拿大地质勘探局的一位收藏家在劳伦地层的无生代石灰岩中发现了一种非常像生命的东西：“奇特的层状结构，由石灰和蛇纹碳酸盐交替层组成，或石灰和白色辉石碳酸盐交替层组成。”威廉·道森(William Dawson)曾是查尔斯·莱尔(Charles Lyell)的学生，后来成为蒙特利尔麦吉尔大学(McGill University)校长，他检查了这些岩石。在《物种起源》(1859年)一书中，查尔斯·达尔文(Charles Darwin)指出(现在被称为“达尔文困境”)，如果他的自然选择理论是正确的话，那么化石记录应该有记录到“在志留纪最低层沉积之前”的生物。《物种起源》出版后，关于原始化石是否存在的科学争论变得反复无常。然而，要找到它们却很困难——如果达尔文是对的，那么它们在哪里呢?

道森是一个反达尔文主义者，但他承认他所看到的层状结构无疑是有机的——他认为这些结构是巨型有孔虫(单细胞生物，长出坚硬的外部外壳)的骨骼残骸。在论证这块岩石是真正的有机起源时，道森把重点放在了他所谓的化石的“美丽和复杂”上，他指出了一系列他确信不可能完全通过物理化学手段形成的微管。出于爱国热情，他于1865年站在蒙特利尔自然历史学会面前，将这种生物命名为“加拿大黎明动物”(Dawn Animal of Canada)，或者Eozoön canadense(始生代)，他认为它是地球上所有生命的祖先。

Eozoön canadense，一种由交错层状方解石和蛇纹石构成的变质前寒武纪岩石。维基百科

道森使得黎明动物可以为自己发声，反对自然选择论，因为它已经几千年没有变化了。在《地球上的黎明》(1875年)中，他写道：

我，Eozoon canadense，发现自己生长在海底，我也不知道我自己是什么时候来的。我成长和繁荣了很长一段时间，而且没有发现任何阻止我扩张的障碍，充足的食物总是漂浮在我身边，我不必要自己去寻找食物。

Eozoon是一个容易被人扭曲的发现。如果你是19世纪60年代的地质学家或博物学家，不管你是否相信有Eozoon，在辩论中提到它总是有用的。如果Eozoon是一种原始动物，那么也许它是达尔文在化石记录中被注意到缺失的第一页。或者，如果在Eozoon和第二古老的化石之间有的只是几千年的沉默，那么这也可能是反对自然选择论的证据：也许生物一直保持不变，或者多次出现，但从未进化。

让道森非常沮丧的是，1866年，达尔文对有关Eozoon的争论作出了回应，达尔文同意了他的观点。达尔文在第四版的《物种起源》中添加了这样的一句话：“在阅读了关于这一非凡化石的描述之后，我对它的有机性质不可能产生任何怀疑。”

来自伦敦行商产科医生托马斯•布尔默(Thomas Bulmer)也对Eozoon表现出了不那么突出的认可，他以神秘的海金·纳比“宇宙”这个笔名，以第一人称讲述了地球的历史。在他1879年的故事中，真主安拉拜访了梦中的海金·纳比“宇宙”，并向他展示了生命的起源。在他与真主安拉一起穿越万古世纪时观察到的现象中，有这样的一种现象：“Eozoon原生质形成了由有孔虫外壳组成的巨大珊瑚礁……在加拿大海域，存在着一个非常不寻常的物体，即Eozoon canadensis……其组成如此可疑，以至于被认为是矿物组织。”

然而，对Eozoon持怀疑态度的人则声称这化石仅仅是一种“假晶”，它看上去好像是活的，但其实它们并不是。他们写道，它要么是“仿制的”，要么只是“生命的痕迹”，它的形式只是出奇地规则，它并不是有机的。尽管Eozoon表面上看起来很美，很复杂，但在19世纪的最后几十年里，它的受欢迎程度却下降了。1888年，《美国地质学家》杂志采访了14位著名的地质学家，询问他们“加拿大的Eozoon是否为有机起源”。他们当中只有三个人同意这种观点，包括道森(他命名了这个化石)和查尔斯·杜利特·沃尔科特(Charles Doolittle Walcott)，后者后来被认为是在1914年于伯吉斯页岩中发现寒武纪爆炸的发现者。关于Eozoon的争论渐渐失去了动力，1894年，Eozoon作为另一种岩石被揭开了面纱：点缀着一些蛇纹石的石灰岩。

在接下来的半个世纪里，很少再有科学家对前寒武纪化石进行研究。然后，在1953年，威斯康星大学的矿物学家斯坦利·泰勒发现了燧石铁。当他在苏必利尔湖钓鳟鱼的时候，他从船上发现了一块厚厚的叠层石露了出来——由微生物化石组成的巨大暗礁组织。在显微镜下，泰勒还发现了嵌在燧石里疑似生命的微观形态，用他的话说，“这块岩石提供了一扇穿过前寒武纪变质面纱的窗户”。Tyler和他的同事，哈佛大学的古植物学家Elso Barghoorn确定，19亿年历史的球体和细丝已经变成了化石。1954年，他们在《科学》杂志上发表了一篇简短的声明，宣布他们发现了前寒武纪蓝藻细菌。1965年，古生物学家Preston Cloud独立证实了Tyler和Barghoorn的发现，打消了人们对化石“可能是由非生命过程产生”的担忧。他宣称它们是“最古老的结构，与特定的生物体非常相似”。地质学界首次普遍认可前寒武纪化石的存在，从而创设了现代地球生物学。

随后前寒武纪的土地热潮出现了。1965年，Barghoorn的研究生威廉·“比尔”·朔普夫(William ' Bill ' Schopf)在澳大利亚苦泉地层中发现了8亿年前的微化石。20世纪70年代，Barghoorn和另一名研究生Andrew Knoll在澳大利亚发现了34亿年前的细菌化石。突然之间，古老的生命在我们脚下深深地埋藏着。如果在19世纪，复杂性表明了生命的形式，那么到了20世纪70年代，科学家们发现简单性就已经能识别出最初的生命形式。通常情况下，石化的微生物是球体或细丝，很容易被气泡、晶体和其他无机人工制品模仿。于是乎一场关于生命形态的争论在沉默中准备着爆发。

1979年，前寒武纪古生物研究小组(PPRG)的成员开始在西澳大利亚北极附近现在著名的瓦拉伍纳群进行野外工作。1980年，他们在《自然》杂志上发表了他们在那里发现的太古代叠层石，这是当时已知的最古老的化石，历史超过5亿年。然而，在这篇文章发表的几周前，著名地球生物学家斯坦利·阿拉米克(Stanley Awramik)联系PPRG，报告说他在同一块岩石中发现了微观有机细丝和球状体。阿拉米克准备了几篇文章，宣称他的发现实际上是地球上已知的最古老的生命迹象。罗杰·别克(Roger Buick)曾研究过澳大利亚北极地区，最初也是阿拉米克手稿的合著者，但他对这些最古老的生命形式仍然持怀疑态度，以至于这些文章在出版的时候他要求去除他的名字。随后，《科学》杂志拒绝发表这一发现，这篇文章后来又在其他地方得到发表。随后，别克对这一发现进行了一系列严厉的驳斥。问：“在何种形态复杂程度上，一个物体可以被认为是毋庸置疑的微生物遗迹?”别克总结道：“在太古代岩石中没有发现公认的微生物化石。”

PPRG的创始人Schopf很快就报告说，瓦拉伍纳化石的来源不确定，原因是位点特异性和复现性存在问题。幸运的是，Schopf碰巧有自己的瓦拉伍纳化石。他声称，这些微化石不仅明确地证明了微生物生命早在34.6亿年前就大量存在，而且还证明了它可以进行光合作用，比第二古老的光合微生物存在证据早了整整10亿年。在1986年到1993年的一系列论文中，Schopf发表了他的证据。

Schopf的工作并没有说服所有人，尤其是牛津大学的地质学家Martin Brasier。Brasier报道说Schopf在1987年把他的研究生Bonnie Packer送到Warrawoona去了，而在Packer从野外回来、她得以检查样本之前，Schopf就发表了一份新闻声明证明她已经发现了最古老的微化石。经过对实验室样本的检查，Packer产生了怀疑，并选择不再参与进一步的化石研究，这个化石样本在当时已经作为Schopf的尖燧石化石所为人熟知。

在太古代寻找生命的地球生物学家收集了许多可疑的化石样本，而Schopf的尖燧石化石俨然是这些可疑化石的榜样。正如亨利·吉(Henry Gee)后来在《自然》(Nature)杂志上所说：“很难区分细菌——尤其是细菌化石——和气泡之间的区别。”理查德•科尔(Richard Kerr)在《科学》(Science)杂志上提出了一个类似的问题：这些是“最早的生命迹象，还是只是形状怪异的杂质?”Brasier将这个问题诊断为一个推论：对于许多研究早期生命的地球生物学家来说，如果它看起来像蓝藻，那么最简洁的解释就是它是蓝藻。”然而，形态学上的相似——或者将远古生命与现存生命进行比较——已经远远不够了;“类生命”的可疑化石往往多为无机结构。

引用科学哲学家卡尔·波普尔的话，Brasier提供了识别化石生命的最保守标准：“非常古老的/类似外来的微生物化石结构……不应该被认为是生物的起源，除非它们的非生物起源的可能性被测试过，并且可以被证伪。”不那么保守的地球生物学家则指出，这样的标准不仅会推翻所有来自太古代的化石，而且，如果应用到更近期的化石上，也会让它们受到质疑——的确，没有任何化石能被明确证明曾经存在过。科学研究取决于可证伪性，讽刺的是，Brasier的标准却没有遵循这一标准。作为回应，Knoll用更易理解的“Knoll假说”反驳了Brasier的“无效假设”：“一个好的生物标志物就是简单地意味着一样东西很难(但并非不可能)通过无机过程产生。”

澳大利亚西部皮尔巴拉克拉通的带状岩层，尖燧石化石就是在这里被发现。由宾夕法尼亚州立大学/ Flickr

Apex chert的争议为地球生物学家澄清了鉴定地球上早期生命的界限，帮助他们形成了一系列严谨的策略，以证明化石留下了在地球上或其他行星上的早期生命印记的可能性。虽然大多数地质学家现在已经拒绝了尖微生物化石，但反驳尖燧石的论文仍在继续发表，最近的一次是在去年，大卫·瓦西(David Wacey)将尖燧石诊断为“不是微生物化石，只是偶然排列的碳块”。尽管这种尖燧石已经从可疑化石降级成了伪化石，但长达数十年的关于其来源的争论迫使地球生物学家重新思考他们如何评估古代石头中生命形式。

近年来，地球生物学家已经远离形态学，不再把形态学作为辨别古代生命的可靠标志。为了回答我提出的问题——生命的遗骸是什么样子的?它们看起来很像其他的东西。或者，换个角度来看，许多古老的事物看起来很像我们所期待的古老生命的样子，无论是形式、复杂性还是简单性。如果说“美”和“复杂”曾经是生命的标志，而后来的地球生物学家依靠简单性来寻找早期生命，那么现在这两个都已经不足够了。在寻找远古生命的过程中，没有什么能明显区分生命与非生命。简单地说，寻找古代生命已经不再是寻找古代生命形式。

现在，地球生物学家转而关注生物、地质和矿物学背景，例如岩石岩化的周围古环境、在化石化过程中退化的迹象，以及分析生物化学和化学生物标志物。他们希望，借用地质学家约翰·埃勒(John Eiler)的话说，这些标准将更有效地区分“最古老的化石”和“一块岩石”。随着地球生物学家越来越多地与地球化学家、地质年代学家、地层学家和地磁学家合作，这种多样化和严格的非形态学标准将会得到一致的使用。

困扰着微古生物学研究的问题现在已经扩展到天体生物学，即寻找地球以外的生命。简单地说，如果地球生物学家不能确定地球上的生命是什么样子的，那么他们有什么机会能发现外星生命呢?而这个故事的一个十分讽刺的地方在于，继续支持Apex chert的Schopf，在1996年8月的NASA新闻发布会上发言，他用他自己的可疑化石来质疑火星陨石ALH84001的生物源性。

Schopf在新闻发布会上说，“我将向你们展示地球上最古老的生命证据，”并展示了1993年Apex chert微生物化石的显微图像“这些是明显的细胞...这些是明显的化石。”他坚持认为，地球生物学家为测试chert 可疑化石而制定的标准肯定适用于所有的地外生物可疑化石，而这块陨石并没有通过他的测试。就像Gee后来总结的那样：“这是游戏的名字，用来描述在极端的时间和空间里的生命。”无论是在19世纪60年代、60年代，还是今天，在这里还是在其他地方，都没有明确的分界线将石化的生命与非生命区分开来。

可疑化石吗?这张被称为“Bounce”的伪彩色合成岩石照片显示了一块火星探测器机遇号(Opportunity)用岩石磨损工具钻入后的岩石。美国国家航空航天局

生命是什么和不是什么的问题，或者生命看起来是怎样和不是怎样，或者生命是如何以及在何时出现和没出现(或者生命出现的频率)的这些问题，是研究人员在不断发展的理论和承诺的背景下常常向自然选择、古生物猜想、是否将古生物理解为物质、过程或自组装提出的讨论。当我们问生命从何而来，它是什么样子时，我们问的是定义生命轮廓的那些特质——模式或结构、简单性或复杂性、形式或信息、新陈代谢或繁殖。这意味着生命是一个概念——它承载着含义和意义的力量;它承载着历史包袱、哲学期待和科学框架。生命是人们(生命科学家和其他人)必须被说服的东西。但当然，说生命是值得辩论的，并不是去诅咒寻找生命的科学家(有时他们也会无意中发现它狡猾的复制品)。相反，这意味着我们的生命理论其实非常生动活泼。

2020年火星任务将收集新岩石，并可能引发关于外星生命化石的新一轮辩论。我们还不知道外星生命会以何种奇妙的形式出现，但历史表明，许多火星人的形象最多也只能是半信半疑。