早期地球上的生命是怎么来的？

地球最早出现生命可能是在38亿年前，那时的生命和随后的30多亿年期间的所有生命都是微生物。我们所知的最古老的化石是有33亿～35亿年历史的瓦拉翁纳岩石群岩石中的微生物形态，这些岩石是西澳大利亚变质沉积物。这些化石也许是由生长在浅海水域附近的微生物演变而成的，它们属于一组类似于蓝绿细菌（蓝绿海藻）的微生物的一种，具有很强的感光性。如果这种解释正确的话，那么光合作用（植物利用阳光把二氧化碳转变为食物和能量，从而产生其副产品氧气的过程）早在38亿～25亿年前的太古代就已广泛存在了。这说明早期的有机物为演化中的大气提供着氧气。

瓦拉翁纳的微生物化石种类繁多而复杂，这说明当时的生命已发展了一段时间。事实上，生命活动早在瓦拉翁纳岩石沉积前就开始了。从已知的最古老的伊苏阿综合体（伊苏阿综合体是西南格陵兰最古老的结晶岩块）的沉积岩中取得一些证据来看，虽然这些古老的沉积岩已严重变质，通过同位素测年法还是能确定它有38亿年的历史。这些岩石中含有碳，而碳同位素 12C与 13C的比率说明了其生物起源。我们所有能证明远古时代生命的证据仅此而已。

研究过去

这里所要介绍的史前生物，在数万年甚至数百万年前的地球上生存过。但没有任何人看见过它们活着的样子，我们了解它们，仅凭它们的骨头、牙齿或其他残余部位的化石。通过研究化石，古生物学家能推测出这些史前生物长什么样子，以及它们如何生活。

关于史前动物的信息不仅可从实体化石中获取，而且还可从遗迹化石中探寻。遗迹化石保存的不是生物遗体，而是它们活动的遗迹或遗物。遗迹化石包括钻迹、移迹、足迹，是动物通过爪或牙齿留下的印迹，还包括粪便、蛋壳等。人们对多数史前动物的认识，是通过它们留下的化石残片，例如几个骨头碎片来实现的。

恐龙是一组史前爬行动物。科学家经常使用相似的恐龙化石，“补填”部分缺失的骨头、牙齿，甚至头颅、肢体或尾巴等。

诸如蜥蜴等现代爬行动物柔软的身体部分，常被用作重建恐龙肌肉和内脏的样本指南，这些都补加到了化石上。

古生物学家偶尔会发现某个动物迅速风干的身体残肢，有相当多动物肢体是以木乃伊化石的形式被保存下来的。

大多数化石是骨头或者牙齿，因为这些部位很坚硬，比柔软的肌体更容易保存。在超过数百万年的时光流逝中，原先的生物体腐烂，并且逐渐被周围岩石的矿物质所取代。化石可能非常重，且通常都很脆。不过有时，也能发现皮肤或者肌肉形成的化石。

古生物学家通过比较化石与现存动物的骨头来进行研究。他们寻找与化石牙齿形状相似的动物。两种动物拥有相似的牙齿，表明它们可能吃类似的食物。

肌肉在骨头上留下的印记，能够展现恐龙多么强壮，还能让人看出它正朝哪个方向移动腿和颈，以及身体其他部位。

古生物学家必须从周围的岩石，即被称作母基的岩石中取出化石。有些岩石可以用化学方法溶解剥离开，而大多数岩石则需要用金属钩和凿刀才能刮离出来。

最易脆的化石是粪便化石。已知世界上最大的粪化石是一种蜥脚类亚目恐龙留下的，新鲜时可重达10千克。

古代微生物

幸运的是，古代微生物的化石并不微小，其结构都是肉眼可见的叠层石。现代的叠层石是一堆堆嵌入或沉淀在沉积物中的微生物，不断向上，并横向从浅淡水或咸水底部上升。它们在潮汐间和浅的次潮区频繁生长，在西澳大利亚“鲨鱼湾”和巴哈马群岛普遍可见。保存在地质记录中的微生物主要存在于燧石、石灰石和白云石之中，且通常与斑纹铁岩层混在一起。在某些地方，化石叠层石聚积了好多层，厚达数百米，绵延数百千米。许多叠层岩里的微生物化石与现代微生物没有太大区别，至少在外表上区别不大——这就是所谓的“大众汽车综合体，即缺乏外部形式变化，从而起着掩盖了内部生物化学机制的演化作用”。现代叠层岩中，有各种各样的微生物，其中包括蓝绿细菌。现代微生物团也衍生着各种其他的生物，如海蛇、鱼、腹足纲软体动物和双壳类动物。

全世界已知的太古代叠层岩的产地有21处。但是开始于26亿年前的叠层岩在形式上多种多样，更为常见。这可能与当时大陆的体积开始增大有关。大陆区规模的增大意味着其边缘浅海也在扩大，于是叠层岩里的寄生物也大大增多。由于元古代（25亿～5.43亿年前）存在大量叠层岩，这一时期又被称为细菌时代。

太古代和元古代的叠层微生物生长在浅海、环礁湖和湖里，没有一种是生存于深水中的。它们也许进行光合作用，吸收二氧化碳，产生氧气。由于大部分前寒武纪的大气几乎没有氧气，也没有臭氧层保护地面免受有害太阳紫外线的辐射，所以生命只能在深度合适的浅海中繁衍——那里的水很浅，阳光能透进来，而且大部分紫外线被挡在外面。叠层微生物栖息在这一范围内，并适应这些极端的条件，如高咸度的水、干燥、强光照射和局部的富氧环境。

到了7亿～6亿年前，叠层微生物突然消失。消失的原因至今也不清楚，也许是因为微生物群落竞争不过某些水藻，或者它们被当时已占优势的穴居食草动物所侵害；也可能出现了漫长而广泛的冰河期。这时候只是地球所经历过的第二个冰河期，所以也有可能是寒冷的环境毁灭了广大地区的叠层微生物，结果就是它们的栖息地大为缩小。

大气、海洋斑纹状铁矿层和氧的产生

虽然我们并不知道太古代和早期元古代大气的成分构成，但是有一点是清楚的，那就是：和海洋一样，大气里很少、甚至根本就没有氧气（浅海和大气几年或几十年才交换一次氧气，所以从现在的背景来看，这只是一个化学系统）。那么进行光合作用的微生物产生的氧的情况怎样呢？氧一产生，就被下列物质的氧化作用消耗尽了：（1）溶于海水中的铁；（2）微生物死后留下的有机物；（3）不断向大气喷发的火山气体，这是一种缺氧的气体。结果，氧化过程消耗了所有能取得的氧，这种现象一直延续到24亿年前。此后，只有在大约3亿年间，大气中的氧似乎是无中生有，急剧增多，也许达到了现今大气中氧浓度的15%或者更多。此后，在10亿～5.5亿年前之间，大气中的氧含量进一步提高，也许达到现今一半的水平。地球表面突然的氧化现象开始于24亿年前，这是地球进化史上意义最深远的事件之一，最终使动物生命进化成为可能。

那么，我们究竟是如何知道这一切的呢？氧的含量为什么会突然升高？一种叫斑纹状铁矿层（BIFs）的奇特岩石足以证明大气成分的变化和早期缺氧大气的存在。BIFs是沉积岩，一层层里的铁含量不同，交替存在，有的丰富，有的贫乏。常见层面的厚度只有几毫米到几厘米。对它们感兴趣的不只是科学研究者，因为它们占现代社会用铁的90%。这些岩石属化学沉淀物，是溶于海水的铁和硅化合物沉淀后形成的。部分岩石是彩色的，大多含有交替夹层磁铁矿和赤铁矿，这些是黑色的氧化铁矿石和水苍玉。水苍玉是一种红色的玉髓（石英的一种，由于含有氧化铁和石英结合的细小晶粒而呈红色）。纯的BIFs都有17亿年以上的历史。大多数在26亿～18亿年之间，最古老的是在上文提到的伊苏阿综合体中找到的。大约过了18亿年后，在地质记录中，BIFs逐渐被红层所替代（有关红层将用几个段落篇幅细谈）。为什么BIFs只存在于地球遥远的过去？为什么呈细带状结构？现今的海洋里根本不含铁，而含铁丰富的化学沉积物是怎么生成的呢？

上述问题可以在海水中找到一些答案。现在的海水中铁的浓度可忽略不计，因为海水已被氧化，也就是说，海水所含的是溶解氧。只有在缺氧的（没有氧）的水中能溶解数量可观的铁。因此，要使含铁丰富的化学沉积物形成，海洋必须缺氧，以便携带溶解的铁，然后必须补充充分的氧来氧化这种铁，并成为氧化铁矿沉积下来。氧生成后，经过数亿年，BIFs的继续出现意味着整个海洋需要很长时间才被氧化。这可能需要近10亿年的时间，在这期间，海洋表面开始氧化，并缓慢地深入水下。

BIFs中含有的大量的铁都是从哪里来的？大多数可能来自海底热泉。热水把铁从地壳中过滤出来，沉积在海洋中，现在中洋脊就发生了这种现象，中洋脊下的地幔出来的热驱动热液循环。早期地球内部出来的热流比现在的热流大得多，可能引起更强烈的热液循环。

见过BIFs的人无不为它们的层压结构之精巧而震惊。有些研究人员把这些层压结构视作是可用做氧化溶解铁的氧的数量季节性变化的反映。他们画出纹泥类似图，纹泥是一种沉积物，里面交替着明、暗层，是每年冬季湖泊结冰时形成的。也许这种想法没有错，但没有证据证实这一想法的价值。

红层是风化碎裂的沉积岩，含有如沙和碎石层的细粒状的特殊物质。其重要意义在于它们具有与众不同的、很浓的红棕色，这种颜色来自二氧化二铁，表明里面有游离大气氧沉积。二氧化二铁可能在矿物表面形成一个外层，或散布在泥土中因风化而破碎了的微粒间。这些岩石，作为河床和在平原上泛滥的被氧化的水中的沉积物，是世界各地常见的沉积岩产物，其历史还不到17亿年。新泽西州东部的三叠纪纽沃克岩石群就是一个很好的例子。

还有一个问题有待解答，那就是为什么氧在24亿年前突然出现？一般的观点认为，因为溶于海洋中的铁意味着氧的大量沉积，由于光合作用而引起的氧的产生率超过了热液循环引起的铁的补充率，海洋中的铁最终耗完，氧的含量开始上升。但是这个问题还在激烈争辩中，仍有人提出其他的观点。例如，有人认为氧的形成是由于那时有机物被埋入海中的速度加快，从而防止了与氧反应产生二氧化碳。另一种观点认为氧的形成反映了火山气体成分的基本变化。

此后BIFs在局部地区重新出现很可能与局部出现一些短暂的事件有关，如海域中铁和其他成分的增加，而海上的循环是有局限性的。

早期的地球暖和吗？

我们又遇到了另一个问题。假如太阳也与其他星球一样演化，它的亮度从诞生到现在已增加了25%～30%。如果早期的地球吸收的能量是如此之少，那么它为什么没有完全冰冻呢？为什么第一次冰河期只出现在地球诞生后大约20亿年（那时休伦湖超级岩石群的岩石正在沉积）？过了15亿年后才进入下一个范围广泛的冰河期，这又是为什么？

太阳较低的发光度一定得到过其他一些因素的补充。现在大多数科学家都能接受这样一种理论解释：早期地球之所以没有冰冻，是因为早期大气含有高浓度的温室气体。这些气体吸收了来自地球表面的辐射，像毯子一样，把地球和辐射隔离开来。二氧化碳和甲烷最有可能起主要作用。只要把现在的地球和金星作一下比较，就能对二氧化碳在这方面所起的潜在的重要作用作出正确的评价。金星表面的温度是460℃，这是因为有一层厚厚的二氧化碳把它隔离开来。如果金星没有这一温室大气，其表面温度就可能是-20℃。早期地球要保持温度在冰点以上，二氧化碳量必须是现在大气二氧化碳量的100～1000倍（现在大气二氧化碳的容积占0.036%）。有一种推测很有意思：大气温室气体的减少是在大约24亿年前，由于大气氧气开始增加而引起的。冰河期也是从那时开始的。早期地球的反照率（反射的辐射和吸收的辐射的比率）低于现今地球的反照率，这是因为那时陆地面积较小，而海洋表面较大（海洋比陆地反射较少的光，因而吸收较多的热量）。也许早期地球具有较高的旋转率，因而有较少的云层遮阳。

较高的旋转率一说值得注意。英国天文学家埃德蒙·哈雷（1656～1742），就是那位因发现哈雷彗星而闻名遐迩的哈雷，他在1695年发现，“食”的发生时间与地球和月球的始终不变的运动并不一致。后来，人们了解到地球和月球的运转相互影响的情况，这才明白，哈雷的观察要求地球的运转要减慢。

能对此做直接观察的只有通过古生物学的记录。一年的天数就是从珊瑚和其他无脊椎动物化石每天的生长数量和规模推断出来的。特别是泥盆纪的珊瑚表明，4亿年前，每年有400～410天，每天大约是21～22小时。根据时间倒退法判断，即使非常不确切，也可看出，太古代一天的长度约有15小时。以这样的运转率，当时大气的循环可能完全不同于现在。例如，气候模式表明，把热量从赤道传到两极的大气循环当时一定是相对弱的，所以赤道与两极间的温度变化率比现今要大得多。

寒武纪动物的出现和生命的剧增

最初的后生动物（即多细胞动物）是什么时候出现的，我们并不清楚。这些最早的有机体是软体的微生物，它们的遗存数量很少，非常珍贵地以化石形式保存下来。这些微生物包括海绵、早期动物的胚胎和海藻。通过岩石可以看出，一些有10亿多年历史的化石可能也是后生动物，但是把它们解释成“多细胞生命的代表”的说法引起了众多争议。最近在中国南部，在有5.7亿年历史的磷灰石中发现了保存完好、确切无误的后生动物。

大约在5.4亿年前，生命体出现了爆炸性的剧增，突然从软体微生物变成骨骼（有壳）类的微生物，短短的数千万年间，大多数的今天我们所知的动物种类在那时已经出现。这是寒武纪（也是古生代和显生宙代）开始的标志。此外，元古代大多数生命形式在寒武纪开始时就消失了，从而成了历史上生命灭绝的最大事件之一。与其他的灭绝现象不同，现在也没有证据表明在寒武纪初始期发生过任何如流星碰撞之类的大灾难性事件。上面已提到过后生动物增加和微生物减少的两种可能性。大约在7.6亿～5.5亿年前，在大约2亿年的时间里，地球经历了几次漫长而严酷的冰河期，恶劣的环境可能灭绝了大多数层叠生物。或者就是这些细菌簇竞争不过更复杂的生态系统。古生代已经开始，陆地表面除了细菌之外，没有别的生命，但是在不到3亿年的时间里，鱼、两栖生物和爬行动物陆续演化出来。大型的无脊椎动物群，其中腕足动物占了统治地位（类似双壳类动物），成长了起来。植物和昆虫也相继出现。

加拿大哥伦比亚省东部边界的加拿大落基山高处发现一类岩石，我们从中看到了大量有关寒武纪开始时生命剧增的信息。1909年，查尔斯·D.韦尔科特，当时是史密森学会的秘书，他在陡峭的山脊一侧发现了页岩层，只有几米厚，约20米长，其中藏有丰富的化石。这些化石群，就种类和保存情况而言，堪称天下一绝。这一页岩层被称为伯吉斯页岩，是从一个陡峭的水下斜坡底部聚积而成的泥土生成的。斜坡是在一系列泥土滑动中形成的，动物群落就在页岩上落户，生活在得到阳光照射的浅水中。但是由于泥土滑动，动物群落被带到更深的地方，即刻被埋入泥中。迅速被埋，又在更深的、缺氧的水中，这种环境抑制了腐烂和别的动物的干扰，所以这些动物软体器官保存基本完好，清晰可辨。

寒武纪的初始期是地质记录重要而清楚的分界线。化石所记录下的信息突然变得完整，明显的原因在于骨骼的残留物很可能比软体动物更容易保存。这一分界线标志着在许多地区不整合（不整合是指上、下两套不同时代地层之间出现过沉积、间断或地层缺失的地层接触关系），从中可以看出发生过漫长的侵蚀期。

有关早期的地球还有许多问题有待研究。但是，我们已清楚地知道，地球是一颗具有演化系统的行星。作为无机体，地球为生命的进化——即使不是首先——提供了合适的环境，而生命同样影响地球的进化。大气调节地表的温度，海洋调节大气的成分，而地球则影响海洋的构成。但归根结底，生命提供氧气，使地球成为当今这样一颗独一无二的行星。