地球上第一種動(dòng)物

　　撰文 | 祝葉華

　　137億年前，宇宙大爆炸，一切從無(wú)到有。47億年前地球形成，早期地球如炙熱的煉獄，不斷受到天外來(lái)客的襲擊，隨著襲擊次數(shù)的減少，地球逐冷卻下來(lái)并開始下雨，原始海洋形成了。生命起源的深海熱液噴口假說(shuō)認(rèn)為，地球形成伊始，陸地環(huán)境太過(guò)惡劣，所以生命最初起源于深海。而對(duì)于生命進(jìn)化中非常重要的節(jié)點(diǎn)——復(fù)雜生命形式是否仍然是在深海中最先形成的？——科學(xué)家一直沒(méi)有搞懂。斯坦福大學(xué)的研究人員試圖回答這一問(wèn)題。他們?cè)谧罱l(fā)表的研究中指出，深海是早期地球上溫度唯一穩(wěn)定的地方。深海為復(fù)雜生物提供了一個(gè)穩(wěn)定的、維持生命的避難所，讓這些蓬勃發(fā)展的生命形式能夠充分利用有限的氧氣供應(yīng)，使其免受淺灘溫度劇烈波動(dòng)的影響【1-2】。

　　生命的起源與進(jìn)化

　　探索遠(yuǎn)古時(shí)期的生命形狀，可以知道從地球上最早生命形式的出現(xiàn)，到其邁出懵懂的第一步，動(dòng)物是如何進(jìn)化出靈活自如的身體、犀利靈敏的眼睛以及鋒利尖銳的牙齒，也可以弄明白遠(yuǎn)古的生物是如何演變成我們所熟知的現(xiàn)代生物，當(dāng)然也包括你我在內(nèi)的人類。世界各地的科學(xué)家研究生命起源的歷史可以追溯到有記載的年代。目前科學(xué)家們還在不斷的研究和探索生命的起源之謎，在這個(gè)過(guò)程中，幾種主要的假說(shuō)被提出。

　　原始湯假說(shuō)：“原始湯”實(shí)驗(yàn)展示了如何在模擬早期地球環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，僅用少量無(wú)機(jī)“成分”就能創(chuàng)造出諸如氨基酸之類的生命構(gòu)成元素。這一假說(shuō)后來(lái)被推翻，因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，“原始湯”中的一些“成分”實(shí)際上并不像之前認(rèn)為的那樣存在于大氣中【3】。

　　有生源說(shuō)理論：在地球形成初期，流星撞擊地球的頻率很高。支持這一理論的科學(xué)家們推測(cè)，撞擊地球的一些流星可能攜帶著非常原始的細(xì)胞，或者至少是生命的組成部分，但生源說(shuō)沒(méi)有試圖解釋生命是如何在外層空間形成的【3】。

　　深海熱液噴口假說(shuō)：該假說(shuō)認(rèn)為地球早期的大氣層是一個(gè)相當(dāng)惡劣的環(huán)境，幾乎沒(méi)有氧氣，也沒(méi)有保護(hù)地球生命免收紫外線灼傷的臭氧層。所以有些科學(xué)家就認(rèn)為生命是從海洋中開始的。紫外線可以穿透最淺的水域，因此生命可能開始在海洋深處。在海底，有一些地區(qū)被稱為熱液噴口。這些令人難以置信的“滾燙”的水下區(qū)域至今仍充滿著非常原始的生命。相信熱液噴口理論的科學(xué)家說(shuō)，這些非常簡(jiǎn)單的生物體可能是前寒武紀(jì)時(shí)期地球上最早的生命形式【3】。

　　海底熱泉（Ralph White / Getty Images）

　　關(guān)于生命的起源有許多相互競(jìng)爭(zhēng)的理論，深海熱液噴口假說(shuō)被認(rèn)為是最新的理論之一。本文的內(nèi)容就是基于深海熱液噴口假說(shuō)展開的。原始單細(xì)胞出現(xiàn)于海洋后，在長(zhǎng)達(dá)30億年的時(shí)間里，它們是地球最高級(jí)的生物。但大約在6億年前，地球的瓦蘭吉爾冰期結(jié)束后，隨著冰川的融化，富含營(yíng)養(yǎng)的融水流入海洋，對(duì)于可以進(jìn)行化合作用的微生物而言，這些夾雜著巖石的冰川是意外的收獲，因?yàn)檫@些巖石的粉末是它們上好的肥料。藍(lán)藻細(xì)菌以及其它光合作用細(xì)菌開始大量繁殖。在此后的幾百萬(wàn)時(shí)間內(nèi)，原本依靠分裂生殖繁衍后代的原始單細(xì)胞生命，隨著氧氣含量的增加，一些細(xì)胞開始黏在一起，這些細(xì)胞團(tuán)逐漸進(jìn)化成原始動(dòng)物，復(fù)雜的高級(jí)生物出現(xiàn)了，它們有了具體的形態(tài)，埃迪卡拉紀(jì)生物群自此登場(chǎng)【4】。生命的類型也朝著多樣化發(fā)展，埃迪卡拉紀(jì)為后來(lái)寒武紀(jì)生命大爆發(fā)做好了物質(zhì)準(zhǔn)備，在某個(gè)決勝時(shí)刻，寒武紀(jì)大爆發(fā)來(lái)了，這次生命大爆發(fā)給生物體配備了骨骼以及用于防衛(wèi)和捕食的更精細(xì)的裝備。寒武紀(jì)之后，獵物和捕食者的關(guān)系，讓生物體的進(jìn)化加快，只有適應(yīng)能力最強(qiáng)的物種才能留在競(jìng)技場(chǎng)上，而其他的則被扔進(jìn)了歷史的垃圾桶中。

　　物種之間的戰(zhàn)爭(zhēng)推動(dòng)著歷史的車輪不斷向前滾動(dòng)。生命的進(jìn)程如同一棵盤根錯(cuò)節(jié)的大樹，所有衍化至今的各種各樣的物種，在遠(yuǎn)古時(shí)代都有共同的祖先，而今天我們之所以與單細(xì)胞生物有所不同，就是因?yàn)檫M(jìn)化的力量【5】。

　　深?！昂銣亍钡谋佑?/span>

　　深海熱液噴口假說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)的毀滅性射線一直狠狠地折磨著年幼的地球，陸地上幾乎沒(méi)有滋養(yǎng)生命的可能，所以只有在陽(yáng)光無(wú)法攝入的深海才能為生命提供搖籃。而在一個(gè)氧氣有限的世界里，新進(jìn)化的生命需要盡可能有效率，而這只能在相對(duì)穩(wěn)定的深度才能實(shí)現(xiàn)【4】。

　　此前，科學(xué)家們已經(jīng)建立了一個(gè)理論，即生命體的存在需要有適宜的溫度，在這個(gè)溫度下，它們可以利用最少的氧氣茁壯成長(zhǎng)起來(lái)。科學(xué)家根據(jù)這一理論推測(cè)，在較冷或較暖的溫度下，生物體氧氣的需求量比適宜溫度下要高。為了在一種讓人聯(lián)想到埃迪卡拉深海生物（Ediacara biota）的動(dòng)物身上驗(yàn)證這一理論，科學(xué)家測(cè)量了?？难鯕庑枨?，海葵凝膠狀的身體和通過(guò)皮膚呼吸的能力與從埃迪卡拉海洋中收集的化石的生物學(xué)非常相似[1]。斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)隨著溫度的升高，?？褪艿脱醯哪芰?huì)變差。這種現(xiàn)象在魚類、龍蝦和螃蟹等更為復(fù)雜的動(dòng)物身上得到了證實(shí)?？茖W(xué)家不確定更冷的溫度是否也會(huì)影響動(dòng)物的耐受性。事實(shí)上，當(dāng)實(shí)驗(yàn)池的溫度超出它們的舒適區(qū)時(shí)，?？枰嗟难鯕?。這些因素加在一起，科學(xué)家推測(cè)，埃迪卡拉生物與?？粯樱残枰€(wěn)定的溫度才能最有效地利用海洋有限的氧氣供應(yīng)【1】。

　　歐巴賓海蝎?(Opabinia)

　　在水面上，溫度的變化幅度在10℃左右。然而，在海平面1千米以下，季節(jié)的溫度變化小于1℃。文章的作者之一、斯坦福大學(xué)地質(zhì)學(xué)助理教授埃里克·斯珀林表示，在當(dāng)時(shí)的地球環(huán)境下，深海是溫度唯一保持一致的地方。他們認(rèn)為，在氧氣含量有限的世界里，新進(jìn)化的生命需要盡可能有效率的利用有限的氧氣來(lái)維持生命活動(dòng)，而這只有在相對(duì)穩(wěn)定的深度才能實(shí)現(xiàn)，這就是為什么動(dòng)物會(huì)出現(xiàn)在那里【1】。斯珀林表示，斯坦福大學(xué)此次的研究目的是應(yīng)用動(dòng)物生理學(xué)知識(shí)，在不斷變化的環(huán)境中理解化石記錄。這些信息可能有助于了解未來(lái)能夠在不同環(huán)境中生存的生物種類。

　　填補(bǔ)進(jìn)化缺失的一環(huán)

　　論證復(fù)雜生命體出現(xiàn)在深海具有非常重要的意義。其中非常重要的一個(gè)原因就是了解埃迪卡拉紀(jì)生物的起源，發(fā)現(xiàn)生命進(jìn)化中缺失的環(huán)節(jié)。

　　埃迪卡拉紀(jì)被稱作生物的伊甸園，在此之前，地球進(jìn)入了冰期，大量的單細(xì)胞生物被凍死，但也有不少生物從冰河期成功逃脫。在地球走出冰期后，古菌、細(xì)菌和真菌揉搓著眼睛，將寒冷驅(qū)逐出自己的細(xì)胞膜，準(zhǔn)備大干一場(chǎng)。所以在埃迪卡拉紀(jì)的海洋中發(fā)生了驚人的事情。與原始單細(xì)胞生命體不同，埃迪卡拉生物群的身體構(gòu)造第一次呈現(xiàn)了兩側(cè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，生物身體的每個(gè)部分都有了明確的分工，例如，頭部需要更多的感覺(jué)器官，所以逐漸有了眼睛和觸須。這時(shí)的生物體看起來(lái)像現(xiàn)代水母、海鰓、蠕蟲等軟節(jié)肢動(dòng)物。身體構(gòu)造分工的精細(xì)化，讓生物的身體移動(dòng)更加靈活。但移動(dòng)速度的加快，會(huì)消耗更多的能量，比如像狄更遜類擬水母那樣的原始生物，緊靠表面皮膚來(lái)吸收營(yíng)養(yǎng)的方式效率太低，因此他們進(jìn)化出了最初的胃，嘴巴及牙齒，同時(shí)也催生了海洋中第一批捕食者，捕食者的到來(lái)引發(fā)了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)，動(dòng)物王國(guó)中的大多數(shù)現(xiàn)代分支（或門）在此期間出現(xiàn)【6】。

　　狄更遜水母化石（圖片來(lái)源：D. GRAZHDANKIN）

　　板塊構(gòu)造和地殼的無(wú)情循環(huán)不斷地侵蝕著我們星球的表面。在大陸深處，只有少數(shù)幾個(gè)地區(qū)逃脫了這種命運(yùn)，比如格陵蘭島和西澳大利亞州。專門尋找生命起源跡象的科學(xué)家們紛紛前往這些原始地點(diǎn)朝圣。生命的第一章就寫在這些巖石上，科學(xué)家們希望能讀懂它們【4】。

　　其實(shí)直到今天，生命的誕生仍是未解之謎，科學(xué)家們說(shuō)不清楚這一過(guò)程到底是怎么發(fā)生的。然而有一點(diǎn)我們可以確定，那就是：從無(wú)生命到有生命，中間是沒(méi)有一個(gè)明確的節(jié)點(diǎn)的。正如進(jìn)化本身，生命的誕生也是一個(gè)漫長(zhǎng)而混沌的過(guò)程。要判斷生命的價(jià)值，認(rèn)清這一點(diǎn)尤為重要。

　　參考文獻(xiàn)

　　1. Thomas H. Boag, Richard G. Stockey, Leanne E. Elder, et al. Oxygen, temperature and the deep-marine stenothermal cradle of Ediacaran evolution. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2018 DOI: 10.1098/rspb.2018.1724.

　　2. https://www.sciencedaily.com/releases/2018/12/181212134354.htm.

　　3. https://www.thoughtco.com/origin-of-life-theories-1224553.

　　4.?https://www.popsci.com/where-and-when-did-life-begin.

　　5. 弗蘭克·施茨廷 著，朱劉華 顏徽玲 譯. 海: 另一個(gè)未知的宇宙[M]. 四川人民出版社, 2018.

　　6. Eelco J. Rohling. The Ocean: A deep history[M]. Princeton University Press, 2017. ?

　　本文為嚴(yán)肅科普媒體《返樸》（微信號(hào)：fanpu2019）首發(fā)，《返樸》由國(guó)際一流科學(xué)家和科普專家擔(dān)任總編及編委。任何媒體轉(zhuǎn)載時(shí)須保留《返樸》名稱及微信號(hào)和作者信息。未經(jīng)許可，嚴(yán)禁對(duì)包括標(biāo)題在內(nèi)的任何改動(dòng)。轉(zhuǎn)載、授權(quán)、合作請(qǐng)聯(lián)系fanpu2019@outlook.com。

　　

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