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Origin & Evolution of Life on Earth

地球上生命從什麼時候開始的? When did life start on Earth?
19/10/2014
圖1. 宇宙的創生、恒星內部的核化學、行星的形成、地球上海洋的形成、有機分子的合成等都為生命的起源與演化的重要環節。

起源的問題是人類所思考的包括科學、哲學和宗教在內的最深刻的問題之一。從演化的角度來考慮的話,關於人類的起源,地球生命的起源和地球的起源都是關於時間、空間、物質和能量的起源問題的一些環節。地球上生命的起源可以追溯到極其遙遠的過去,與宇宙的起源緊密地聯繫到了一起[圖1]。由於地球在其形成後不斷地經歷天翻地覆的變化,沒有任何地球早期演化的證據得以完整地保存。好在我們可以根據地質學的、生物學的、比較行星學和天文學的研究象拼積木一樣一點一點地還原地球和生命早期演化的圖像。

地球的年齡至少已有45億年,而太陽系的年齡會比地球更老些。地球是迄今為止我們所知太陽系唯一駐有生命的星球,具我們所知也是宇宙中唯一發現有生命存在的星球。地球上生命是何時開始的呢?最初的生命與我們現在的生命世界有什麼不同?我們地球上生命的起源與演化在宇宙中有普遍意義嗎?地球形成之後的最初7億年是不可能有生命的存在的。由於地球內部複雜過程產生的熱量,加上地球以外天體的頻繁轟擊,地球經歷了一個岩漿海的過程,而在相當長的一段時間內,地球的大氣是由氮氣、水汽和CO2為主組成的[1]。我們知道今天平均海平面上25ºC時的大氣壓力是一個大氣壓。而地球最早時的CO2的分壓就有40個大氣壓,而水汽的壓力則更高達120個大氣壓。由於水汽和CO2都可顯著地引起溫室效應,加上早期地球本身極高的地表熱流,地球的大氣溫度可以高達450ºC以上,與今天金星的大氣相似。在如此高的溫度下大氣會與岩石相互作用形成對生命物質合成有催化作用的次生礦物[圖2]。隨著地球本身產熱的降低和大氣中CO2的減少,地球表面的溫度逐漸降低。CO2溶解于水中並與水中溶解的金屬離子如Ca2+, Fe2+, Mg2+等共沉澱而生成碳酸鹽是一個非常重要的固定大氣CO2的過程。地球的海洋也許在44億年以前就已經形成了[2]。而根據現在關於生命起源的理解,有液態水的穩定存在就可能有生命的發生。但地球上生命的開始可能還沒這麼早。這是因為在太陽系形成的早期有大規模的隕石和彗星頻繁地撞擊地球。許多科學家們認為大規模的撞擊可以數次完全蒸發地球的海洋。最有一次大規模的撞擊過程發生在大約39億年以前[3]。從此之後,地球的海洋終於形成並保持至今。雖然此後到現在地球一直經歷多次的大規模撞擊,但還有再也沒有被完全蒸發過。雖然不能確定在海洋剛剛形成之後,即大約38到39億年之間生命在地球上已經出現,但是可以肯定,海洋,即液態水在地球表面的形成是生命開始最重要的條件,因為其他生命起源的要素,如碳、氧和金屬在地球上早已具備[4]。現在保存最古老的沉積岩的年齡是38.5億年,它的存在無可置辯地證明海洋的形成。在格陵蘭島的艾蘇阿發現了現存最古老的已經過變質的沉積岩。這些岩石形成於38億年以前,說明那時已經有岩石與海水之間的相互作用,因此可以推定海洋已經形成。在老於38億年中發現的輕碳同位素值特徵的石墨會不會是生物成因的[5]?現在還難以定論。

图2. 橄榄石与二氧化碳-水超临界气体在高温下反应生成Mg(OH)2和其它次生矿物。它们对初始海洋的酸碱度,早期有机合成的催化都起重要作用。
圖2. 橄欖石與二氧化碳-水超臨界氣體在高溫下反應生成Mg(OH)2和其它次生礦物。它們對初始海洋的酸鹼度,早期有機合成的催化都起重要作用。

一般認為從無生命的化學演化到形成第一個細胞生命需要大約2億年的時間,但也有人認為也許只要兩千萬年的時間就可以了。孕育最初的生命需要一定量的簡單有機分子、其催化作用的粘土礦物、氧化物或硫化物[4, 6]。我們現在還不知道第一個細胞應該是什麼樣子,甚至不清楚第一個原始細胞是一個以能量或物質代謝為特點的功能集團呢,還是一個能夠遺傳自身資訊的功能集團。前者在化學和能量上更容易解釋些,而後者在特徵上更接近於生命的遺傳特性。無論如何,物質和能量的代謝以及生命所必須的遺傳功能在短時間內都出現了。根據現在的解釋,在最初完全是化學演化的基礎上產生了地球上的第一個生命,它是地球上所有生命的共同祖先[7]。在此基礎上生命又進一步分化成細菌、古菌和包括動植物和藻類在內的真核細胞生物。基於一些在演化上非常穩定的基因的分析,細菌和古菌一樣古老,而真核生命則在稍後從古菌中分出[7]。那麼在最初的海洋中,是什麼原因導致了細菌和古菌之間的些微差異呢?有人猜測會不會它們中的一個是來自地球以外,比如火星。長期以來一直有人堅持地球生命的種子可能來自於宇宙空間的說法。可以設想在很早的時候一塊火星隕石帶著火星生命的種子落到了地球的海洋中。當然,另一種可能是,細菌和古菌分別誕生於地球上稍有差異的環境中,比如說由於海洋的均一化程度的差異而引起溫度、酸鹼性或成學成分的不同。關於第一個細胞是異養的還是自養的也是有很多爭議的。現在的單細胞生命有的是靠直接氧化現成的有機物獲得能量的,有的是靠轉化無機化學物質的能量狀態,比如Fe2+, H2S, CH4, H2等來獲得能量的[8]。到底孰先孰後呢?這可能與地球早期不同的地球化學環境有關。陸地環境,如果已經存在的話,不是最適合生命開始的地方,因為那時的地球大氣沒有臭氧層,不能阻擋致命的紫外線。淺海可以有一定的化學物質和接受陽光,但紫外線輻射仍然是一個問題。在深海中,如海底火山的表面有足夠的熱能使催化物質的形成,有足夠的的化學能量,但沒有了紫外線的困擾。這裡可能是生命的最初誕生之地。與此類似的地方還有海底的洋中脊的熱液噴口。如果是這樣的話,生命在其誕生之日起,陽光就不是必須的。也許在這些最初使用化學能量的基礎上逐漸又演化出了那些可以利用太陽能的微生物。最初的生命在其出現後也極大地參與了改變地球表生條件的過程。洛杉磯加州大學的威廉姆斯·肖普夫教授在迄今已35億年的海洋沉積岩燧石中發現了迄今最古老的光合細菌的化石[9],以世界各地均有發現的疊層石為證據,而這些細胞中的有機分子則又過了整整八億年之後才得以保存到沉積物中至今。硫酸根還原菌的出現在大約34.7億年[10];以還原三價鐵為主的細菌的出現應該在海底有大量的三價鐵的氧化物的出現之後,也就是說在全球矽鐵建造形成的時期出現。因此應該晚於紫菌。因為正是紫菌分解的水產生了氧氣,進而氧化了海水中的二價鐵。隨後隨著海洋溫度和氧化-還原條件的改變,Mn4+和NO3-的還原也相繼在早元古代出現。在所有這些事件中Fe2+的氧化是最重要的事件,它完全改變了地球表面的礦物組成,也為後來大氣和生命的演化掀起了新的一頁。

文章來源:香港大學,李一良博士

參考資料:

[1] ZAHNLE KJ. Earth’s earliest atmosphere. Elements, 2: 217-222.

[2] WILDE SA, VALLEY JW, PECK WH, GRAHAM CM. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature, 2001, 409: 175-178.

[3] COCKELL CS. The origin and emergence of life under impact bombardment. Philosophical Transactions of the Royal Society. 2006, B361: 1845-1856.

[4] RUSSELL MJ, HALL AJ, BOYCE AJ, FALLICK AE. On hydrothermal convection system and the emergence of life. Economic Geology. 2005, 100: 419-438.

[5] SCHIDLOWSKI M, AHARON P. Carbon cycle and carbon isotopic record: geochemical impact of life over 3.8 Ga of early history. In: Early organic evolution: implications for mineral and energy resources (ed. M. Schidlowski), Berlin: Springer, 1992.

[6] WÄCHTERSHÄUSER G. Evolution of the first metabolic cycles. Proceeding of National Academy of Science, USA, 1990, 87: 200-204.

[7] DOOLITTLE WF. Phylogenetic classification and the universal tree. Science, 1999, 284: 2124-2128.

[8] NEALSON KH, GONRAD PG. Life: past, present and future. Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1999, B354: 1923-1939.

[9] SCHOPF JW. Microfossils of the early Archean apex chert: new evidence of the antiquity of life. Science, 1993, 260: 640-646.

[10] SHEN Y, BUICK R, CANFIELD DE. Isotopic evidence for microbial sulphate reduction in the early Archaean era. Nature, 2001, 410: 77-81.

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