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爲什麼地球上的第一個複雜生命體出現在海洋中

http://finance.sina.com   2019年03月14日 18:39   北京新浪網

地球上第一種動物地球上第一種動物

  來源:返樸

  撰文 | 祝葉華

  137億年前,宇宙大爆炸,一切從無到有。47億年前地球形成,早期地球如炙熱的煉獄,不斷受到天外來客的襲擊,隨着襲擊次數的減少,地球逐冷卻下來並開始下雨,原始海洋形成了。生命起源的深海熱液噴口假說認爲,地球形成伊始,陸地環境太過惡劣,所以生命最初起源於深海。而對於生命進化中非常重要的節點——複雜生命形式是否仍然是在深海中最先形成的?——科學家一直沒有搞懂。斯坦福大學的研究人員試圖回答這一問題。他們在最近發表的研究中指出,深海是早期地球上溫度唯一穩定的地方。深海爲複雜生物提供了一個穩定的、維持生命的避難所,讓這些蓬勃發展的生命形式能夠充分利用有限的氧氣供應,使其免受淺灘溫度劇烈波動的影響[1-2]。

  生命的起源與進化

  探索遠古時期的生命形狀,可以知道從地球上最早生命形式的出現,到其邁出懵懂的第一步,動物是如何進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,也可以弄明白遠古的生物是如何演變成我們所熟知的現代生物,當然也包括你我在內的人類。世界各地的科學家研究生命起源的歷史可以追溯到有記載的年代。目前科學家們還在不斷的研究和探索生命的起源之謎,在這個過程中,幾種主要的假說被提出。

  原始湯假說:“原始湯”實驗展示瞭如何在模擬早期地球環境的實驗室環境中,僅用少量無機“成分”就能創造出諸如氨基酸之類的生命構成元素。這一假說後來被推翻,因爲科學家發現,“原始湯”中的一些“成分”實際上並不像之前認爲的那樣存在於大氣中[3]。

  有生源說理論: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家們推測,撞擊地球的一些流星可能攜帶着非常原始的細胞,或者至少是生命的組成部分,但生源說沒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:該假說認爲地球早期的大氣層是一個相當惡劣的環境,幾乎沒有氧氣,也沒有保護地球生命免收紫外線灼傷的臭氧層。所以有些科學家就認爲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,有一些地區被稱爲熱液噴口。這些令人難以置信的“滾燙”的水下區域至今仍充滿着非常原始的生命。相信熱液噴口理論的科學家說,這些非常簡單的生物體可能是前寒武紀時期地球上最早的生命形式[3]。

海底熱泉(Ralph White / Getty Images)海底熱泉(Ralph White / Getty Images)

  關於生命的起源有許多相互競爭的理論,深海熱液噴口假說被認爲是最新的理論之一。本文的內容就是基於深海熱液噴口假說展開的。原始單細胞出現于海洋後,在長達30億年的時間裏,它們是地球最高級的生物。但大約在6億年前,地球的瓦蘭吉爾冰期結束後,隨着冰川的融化,富含營養的融水流入海洋,對於可以進行化合作用的微生物而言,這些夾雜着岩石的冰川是意外的收穫,因爲這些岩石的粉末是它們上好的肥料。藍藻細菌以及其它光合作用細菌開始大量繁殖。在此後的幾百萬時間內,原本依靠分裂生殖繁衍後代的原始單細胞生命,隨着氧氣含量的增加,一些細胞開始黏在一起,這些細胞團逐漸進化成原始動物,複雜的高級生物出現了,它們有了具體的形態,埃迪卡拉紀生物羣自此登場[4]。生命的類型也朝着多樣化發展,埃迪卡拉紀爲後來寒武紀生命大爆發做好了物質準備,在某個決勝時刻,寒武紀大爆發來了,這次生命大爆發給生物體配備了骨骼以及用於防衛和捕食的更精細的裝備。寒武紀之後,獵物和捕食者的關係,讓生物體的進化加快,只有適應能力最強的物種才能留在競技場上,而其他的則被扔進了歷史的垃圾桶中。

  物種之間的戰爭推動着歷史的車輪不斷向前滾動。生命的進程如同一棵盤根錯節的大樹,所有衍化至今的各種各樣的物種,在遠古時代都有共同的祖先,而今天我們之所以與單細胞生物有所不同,就是因爲進化的力量[5]。

  深海“恆溫”的庇佑

  深海熱液噴口假說認爲,太陽的毀滅性射線一直狠狠地折磨着年幼的地球,陸地上幾乎沒有滋養生命的可能,所以只有在陽光無法攝入的深海才能爲生命提供搖籃。而在一個氧氣有限的世界裏,新進化的生命需要儘可能有效率,而這隻能在相對穩定的深度才能實現[4]。

  此前,科學家們已經建立了一個理論,即生命體的存在需要有適宜的溫度,在這個溫度下,它們可以利用最少的氧氣茁壯成長起來。科學家根據這一理論推測,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。爲了在一種讓人聯想到埃迪卡拉深海生物(Ediacara biota)的動物身上驗證這一理論,科學家測量了海葵的氧氣需求,海葵凝膠狀的身體和通過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非常相似[1]。斯坦福大學研究團隊假設隨着溫度的升高,海葵耐受低氧的能力會變差。這種現象在魚類、龍蝦和螃蟹等更爲複雜的動物身上得到了證實。科學家不確定更冷的溫度是否也會影響動物的耐受性。事實上,當實驗池的溫度超出它們的舒適區時,海葵需要更多的氧氣。這些因素加在一起,科學家推測,埃迪卡拉生物與海葵一樣,也需要穩定的溫度才能最有效地利用海洋有限的氧氣供應[1]。

歐巴賓海蠍 (Opabinia)歐巴賓海蠍 (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,季節的溫度變化小於1℃。文章的作者之一、斯坦福大學地質學助理教授埃裏克·斯珀林表示,在當時的地球環境下,深海是溫度唯一保持一致的地方。他們認爲,在氧氣含量有限的世界裏,新進化的生命需要儘可能有效率的利用有限的氧氣來維持生命活動,而這隻有在相對穩定的深度才能實現,這就是爲什麼動物會出現在那裏[1]。斯珀林表示,斯坦福大學此次的研究目的是應用動物生理學知識,在不斷變化的環境中理解化石記錄。這些信息可能有助於瞭解未來能夠在不同環境中生存的生物種類。

  填補進化缺失的一環

  論證複雜生命體出現在深海具有非常重要的意義。其中非常重要的一個原因就是了解埃迪卡拉紀生物的起源,發現生命進化中缺失的環節。

  埃迪卡拉紀被稱作生物的伊甸園,在此之前,地球進入了冰期,大量的單細胞生物被凍死,但也有不少生物從冰河期成功逃脫。在地球走出冰期後,古菌、細菌和真菌揉搓着眼睛,將寒冷驅逐出自己的細胞膜,準備大幹一場。所以在埃迪卡拉紀的海洋中發生了驚人的事情。與原始單細胞生命體不同,埃迪卡拉生物羣的身體構造第一次呈現了兩側對稱結構,生物身體的每個部分都有了明確的分工,例如,頭部需要更多的感覺器官,所以逐漸有了眼睛和觸鬚。這時的生物體看起來像現代水母、海鰓、蠕蟲等軟節肢動物。身體構造分工的精細化,讓生物的身體移動更加靈活。但移動速度的加快,會消耗更多的能量,比如像狄更遜類擬水母那樣的原始生物,緊靠表面皮膚來吸收營養的方式效率太低,因此他們進化出了最初的胃,嘴巴及牙齒,同時也催生了海洋中第一批捕食者,捕食者的到來引發了寒武紀生命大爆發,動物王國中的大多數現代分支(或門)在此期間出現[6]。

狄更遜水母化石(圖片來源:D。 GRAZHDANKIN)狄更遜水母化石(圖片來源:D。 GRAZHDANKIN)

  板塊構造和地殼的無情循環不斷地侵蝕着我們星球的表面。在大陸深處,只有少數幾個地區逃脫了這種命運,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家們紛紛前往這些原始地點朝聖。生命的第一章就寫在這些岩石上,科學家們希望能讀懂它們[4]。

  其實直到今天,生命的誕生仍是未解之謎,科學家們說不清楚這一過程到底是怎麼發生的。然而有一點我們可以確定,那就是:從無生命到有生命,中間是沒有一個明確的節點的。正如進化本身,生命的誕生也是一個漫長而混沌的過程。要判斷生命的價值,認清這一點尤爲重要。

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