地球35亿年前生命演变事件,比我们想象的更戏剧性

对地球上生命的大多数描述始于5亿多年前。就在那时,一场创造性的进化爆发造就了今天几乎所有活着的动植物的祖先。

地球35亿年前生命演变事件,比我们想象的更戏剧性

对地球上生命的大多数描述始于5亿多年前。就在那时,一场创造性的进化爆发造就了今天几乎所有活着的动植物的祖先。在这次“寒武纪爆发”之后,生命的故事是关于鱼类、两栖动物、昆虫、陆地植物、恐龙的兴衰,最终是人类的出现。这是一个史诗般的故事,但它只跨越了地球生命历史的八分之一。

问题是,尽管动植物留下了丰富的化石,但前寒武纪岩石几乎没有早期生命的痕迹。查尔斯·达尔文在“物种起源”一书中写道:“对于我们为什么找不到这些巨大的原始时期的记录这一问题,我无法给出令人满意的答案。”从那时起,已经发现了一些化石遗骸,但这些化石大多是微小的斑点,不愿透露自己的秘密。然而,近年来,独具匠心的研究人员已经找到了新的方法来揭开生命的黑匣子的盖子。

这就是最初35亿年的故事。这是一个由单细胞生物主导的故事,但它也是一个灾难性的变化。它包含了大陆的诞生,有史以来最严重的化学污染行为,以及一个可能在宇宙其他地方从未发生过的反常的进化事件。这是一段史诗般的旅程,所以请系好安全带。

最初是地球。它是大约45.4亿年前由岩石和尘埃形成的,不久之后,它又被另一颗小行星(或可能是几颗小行星)击中。撞击融化了地球表面,并将大块物质抛入轨道,形成了月球。地球的水是生命的一个重要成分,水的来源是一场长期的争论。水可能被锁在形成这颗行星的岩石中,后来被彗星带进来,或者它可能来自星际空间,比太阳本身还要古老。

“生命可能比人们想象的要容易些。”

生命是什么时候开始的还不清楚。麻省理工学院(MIT)的格雷格·富尼尔(Greg Fournier)表示:“我们所掌握的最古老且无争议的证据是皮尔巴拉·斯特雷利池(Pilbara Strelley Pool)叠层石。”这些保存在澳大利亚西部的微生物已经有34亿年的历史了。然而,它们不可能是第一次生命,因为细胞具有复杂的膜结构,并且连接在一起形成链。富尼尔说,它们看起来像是“一个复杂的、多样化的细菌生态系统”。

地球35亿年前生命演变事件,比我们想象的更戏剧性

叠层石不是地球上的第一个生命

关于古老化石的说法经常被吹捧。而已知的最早的生命化学痕迹似乎可以追溯到41亿年前。但这一证据是有争议的,部分原因是人们认为地球在40到38亿年前曾受到陨石的袭击,使其无法居住。然而,在过去几年里,这一“后期猛烈轰炸”被重新评估。模拟表明,大型陨石不是在一次短暂、持续的爆炸中发生,而是在大约30亿年前一直以低速率发生。这些影响会给生命带来问题,但不可能消除它。

这有助于解释为什么去年8月出现了一些小小的阻力,当时一项新的计算将生命的起源牢牢地置于38亿年前。英国布里斯托尔大学的达维德·皮萨尼(Davide Pisani)和他的同事们汇编了102个现存物种的基因数据,并建立了一个显示它们之间亲缘关系的族谱图。然后,他们从化石记录中提取了一些确切的数据,并利用这些数据计算出进化的速度,使他们能够估计生命历史上的一些关键阶段是何时发生的。其中之一就是最后一个普遍共同祖先(LUCA)的起源,他们估计这一祖先至少生活在39亿年前。最早的有机体可能出现得更早--非常接近地球历史的开端,暗示生命可能比以前想象的更容易开始。

地球35亿年前生命演变事件,比我们想象的更戏剧性

我们已经对LUCA的情况有所了解。几个小组已经使用类似于皮萨尼的遗传学方法来确定它拥有哪些基因,哪些基因进化得更晚。2016年,德国杜塞尔多夫大学的威廉·马丁(William Martin)和他的团队发表了最全面的论文。他们鉴定了355个LUCA可能拥有的基因。这表明它生活在一个炎热的地方,用二氧化碳制造醋酸盐,作为它的食物。然而,它并不具备制造氨基酸的机制--氨基酸是蛋白质的基石,所以很可能是从环境中获得的。LUCA似乎是一个复杂的有机体,但仍然缺少一些关键的能力。

在接下来的十亿年里,生命变得多样化了。根据皮萨尼的研究,第一次大分裂发生在至少34亿年前。它产生了两类微生物,细菌和古生菌。尽管它们在显微镜下看起来几乎无法区分,但它们具有独特的生物化学特性。特别是,许多古生菌已经进化到了在极端条件下生活,如高温。它们还以不寻常的方式滋养自己,包括一种被称为产甲烷的独特方法。所谓的产甲烷菌是利用二氧化碳或乙酸来获取能量,将甲烷作为废物释放出来。它们的进化在地球生命史上发挥了关键作用。

起初,氧气是一种致命的污染。

富尼尔和他的学生乔·沃尔夫(Jo Wolfe)现在已经算出了甲烷产生的时间。用一种类似于皮萨尼的方法,他们计算出它在35亿年前或更多年前出现在一些古生菌中。支持这一令人惊讶的早期日期的证据来自岩石中的化学物质,表明那时空气中有甲烷。这也符合全球正在发生的一些变化。沃尔夫说:“大气模型表明,当时地球上可能有液态水,但我们也知道,太阳不像现在那么明亮。光是太阳不可能使冰变暖并融化。”但甲烷,一种强大的温室气体,可能会帮上忙。因此,古生菌似乎是第一批影响地球气候的生物。而且,通过让地球变暖,它们也支撑了原始生态系统的其他部分。

产甲烷是革命性的,但它是一种低效的营养形式。先前发表的一项研究揭示了生命是如何进化出一种更好的方式来养活自己的。首先,它依赖于几乎不产生能量的化学反应,包括甲烷生成。后来,一些古生菌进化出了利用硫磺的能力,硫磺是一种更好的能源。然后其他人开始使用更有效的东西:氧气。但只有当空气中有氧气时,才有可能做到这一点。那它从哪来的?

在地球历史的头20亿年里,没有游离氧。相反,它被锁定在矿物和其他化学物质中,因为它很容易与不同的元素反应。所有这些都改变了24亿年前的“大氧化事件”。推动因素是蓝藻的崛起,它利用了阳光的能量。事实上,其他细菌在大约35亿年前就进化出了光合作用的能力。但是蓝藻是第一个利用太阳的能量将二氧化碳和水融合成糖,把氧气作为废物释放出来的细菌。在这样做的过程中,它们成为了第二个具有全球影响的有机体。

现在空气中有氧气。当时的水平远低于今天的水平,并且在超过10亿年的时间里一直保持在低水平。然而,氧气帮助触发了地球历史上最戏剧性的事件之一:冰河时期,以至于整个(或几乎所有)地球都冻结了。第一个“雪球地球”在空气中氧气出现后不久就开始了,并一直持续到21亿年前。大气中的氧气通过与产甲烷菌产生的甲烷反应起到了一定的作用,减少了这种化学物质的温室效应。第二个原因是第一大洲的出现。它们比海洋还要苍白,把更多的太阳热量反射回太空。最后,与新形成的山脉风化有关的化学反应消除了空气中的另一种温室气体--二氧化碳。

我们倾向于认为氧是生命所必需的,但一开始它是一种致命的污染,它在空气中的积累可能导致了第一次大规模灭绝。富尼尔说,今天,氧气对“厌氧菌”--生活在没有氧气的地方的生物,是有毒的,所以它可能对许多古老的微生物是致命的。雪球地球上的冰也会破坏许多栖息地。然而,微生物化石记录太少,无法证明这一点。他说:“没有办法从经验上检测微生物的大规模灭绝。”

在这场令人毛骨悚然的动荡之后,出现了一段平静的时期。传统观点认为,随着气候的稳定和氧气水平的降低,进化停滞了。生命的历史被认为是如此沉闷,以至于18亿到8亿年前的这段时期被称为“无聊的十亿年”。事实上,并不是这样的。就在这个时候,生命取得了两项最大的进步。而且,根据最近的研究,这些进化上的创新可能是有机体应对有限营养挑战的结果。

不管是什么原因,第一次飞跃是一种新的有机体--真核生物的出现。皮萨尼的研究估计,这发生在18亿到12亿年前,深藏在令人厌烦的10亿年前。真核细胞比以前的任何细胞都更大、更复杂。它们有复杂的内膜,它们的DNA储存在一个叫做细胞核的房间里,它们包含着被称为线粒体的微小的香肠形状的物体,它为它们提供能量。只有真核细胞才能形成像植物、昆虫和人类这样复杂的多细胞有机体,细菌和古生菌不能以这种微妙的方式连接起来,因此,真核生物的起源是生命史上最重要的事件之一。

真核生物不是通过竞争(竞争驱动了大量的进化)产生的,而是通过合作产生的。在某种程度上,古生菌肯定吞下了一种细菌,两种生物一起生活,细菌成为第一个线粒体。这到底是怎么发生的还在争论之中。通过研究最近发现的一组被称为“阿斯加德古生菌”的有机体,我们可能很快就会知道更多的信息,这些古生菌是真核生物最接近的单细胞近亲。然而,复杂生命的创造似乎只发生过一次,这表明这是一件怪事。如果是这样,那就有了极大的含义。这意味着,尽管其他行星可能是简单细胞的家园,但这些细胞可能在没有复杂生命出现的情况下长盛不衰。

地球35亿年前生命演变事件,比我们想象的更戏剧性

随着真核生物的进化,地球上的生命可能会发生另一次大飞跃,成为多细胞生物。那是什么时候发生的?直到20世纪50年代,已知的最古老的多细胞生物是从5.41亿年前的寒武纪开始的。随后,一些英国学生发现了一个化石,这是第一个被确认的埃迪卡拉纪(Ediacaran)化石,这是一种奇怪的多细胞生物,生活在6.35亿至5.42亿年前。这个群体的性质长期以来一直是个谜。一项新的研究表明,至少有一种叫做迪更逊水母的动物是已知的最早的动物,有5亿年的历史。然而,埃迪卡拉菌并不是最早的多细胞生物。

“也许当地球变成一个巨大的雪球时,进化被减缓了。”

2016年,由中国地质调查局的一个团队描述了长达30厘米的长方形和舌形斑点。它们看起来像原始的海藻,在15.6亿年前的岩石中被发现。保存的细胞材料的碎片显示,这些细胞被组织在紧密包装的片层中,而不是松散的菌落中,这有力地表明它们是真正的多细胞生物。今年,一项后续研究发现,直到大约15.7亿年前,这些生物生活的海洋中的氧气很低,然后含量上升,这表明是额外的氧气使它们变得更大、更复杂。

人们曾经想知道为什么多细胞生物要花这么长时间才能进化。现在我们有了一个新的谜题:为什么他们花了十亿年才发展成更复杂的埃迪卡拉纪。也许氧气水平还得进一步升高。或者,在7.2亿到6.35亿年前的第二个雪球地球时期,进化被减缓了。然而,微化石记录显示,几乎没有证据表明物种在那个时候被消灭了。事实上,有人争辩说,有些生物在地球表面结冰的地方繁衍生息。

所以,谜团依然存在。生命的黑暗时代还没有被完全照亮。但我们比几年前知道的要多得多。很明显,我们今天所知的生命,如果没有在进化的最初35亿年中发生的所有创新,就不会存在。

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