地球上第一種動物

　　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，隨著襲擊次數(shù)的減少，地球逐冷卻下來并開始下雨，原始海洋形成了。生命起源的深海熱液噴口假說認為，地球形成伊始，陸地環(huán)境太過惡劣，所以生命最初起源于深海。而對于生命進化中非常重要的節(jié)點——復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(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。深海為復雜生物提供了一個穩(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，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(xiàn)，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(xiàn)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”實驗展示了如何在模擬早期地球環(huán)境的實驗室環(huán)境中，僅用少量無機“成分”就能創(chuàng)造出諸如氨基酸之類的生命構成元素。這一假說后來被推翻，因為科學家發(fā)現(xiàn)，“原始湯”中的一些“成分”實際上并不像之前認為的那樣存在于大氣中【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著非常原始的細胞，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：該假說認為地球早期的大氣層是一個相當惡劣的環(huán)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）

　　關于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為是最新的理論之一。本文的內容就是基于深海熱液噴口假說展開的。原始單細胞出現(xiàn)于海洋后，在長達30億年的時間里，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后，隨著冰川的融化，富含營養(yǎng)的融水流入海洋，對于可以進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，因為這些巖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。在此后的幾百萬時間內，原本依靠分裂生殖繁衍后代的原始單細胞生命，隨著氧氣含量的增加，一些細胞開始黏在一起，這些細胞團逐漸進化成原始動物，復雜的高級生物出現(xiàn)了，它們有了具體的形態(tài)，埃迪卡拉紀生物群自此登場【4】。生命的類型也朝著多樣化發(fā)展，埃迪卡拉紀為后來寒武紀生命大爆發(fā)做好了物質準備，在某個決勝時刻，寒武紀大爆發(fā)來了，這次生命大爆發(fā)給生物體配備了骨骼以及用于防衛(wèi)和捕食的更精細的裝備。寒武紀之后，獵物和捕食者的關系，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(zhàn)爭推動著歷史的車輪不斷向前滾動。生命的進程如同一棵盤根錯節(jié)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，就是因為進化的力量【5】。

　　深海“恒溫”的庇佑

　　深海熱液噴口假說認為，太陽的毀滅性射線一直狠狠地折磨著年幼的地球，陸地上幾乎沒有滋養(yǎng)生命的可能，所以只有在陽光無法攝入的深海才能為生命提供搖籃。而在一個氧氣有限的世界里，新進化的生命需要盡可能有效率，而這只能在相對穩(wěn)定的深度才能實現(xiàn)【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?？茖W家根據(jù)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。為了在一種讓人聯(lián)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?？难鯕庑枨螅？z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著溫度的升高，海葵耐受低氧的能力會變差。這種現(xiàn)象在魚類、龍蝦和螃蟹等更為復雜的動物身上得到了證實?？茖W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(qū)時，?？枰嗟难鯕狻＿@些因素加在一起，科學家推測，埃迪卡拉生物與?？粯?，也需要穩(wěn)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、斯坦福大學地質學助理教授埃里克·斯珀林表示，在當時的地球環(huán)境下，深海是溫度唯一保持一致的地方。他們認為，在氧氣含量有限的世界里，新進化的生命需要盡可能有效率的利用有限的氧氣來維持生命活動，而這只有在相對穩(wěn)定的深度才能實現(xiàn)，這就是為什么動物會出現(xiàn)在那里【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(huán)境中理解化石記錄。這些信息可能有助于了解未來能夠在不同環(huán)境中生存的生物種類。

　　填補進化缺失的一環(huán)

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

　　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。在地球走出冰期后，古菌、細菌和真菌揉搓著眼睛，將寒冷驅逐出自己的細胞膜，準備大干一場。所以在埃迪卡拉紀的海洋中發(fā)生了驚人的事情。與原始單細胞生命體不同，埃迪卡拉生物群的身體構造第一次呈現(xiàn)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須。這時的生物體看起來像現(xiàn)代水母、海鰓、蠕蟲等軟節(jié)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(yǎng)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(fā)了寒武紀生命大爆發(fā)，動物王國中的大多數(shù)現(xiàn)代分支（或門）在此期間出現(xiàn)【6】。

　　狄更遜水母化石（圖片來源：D. GRAZHDANKIN）

　　板塊構造和地殼的無情循環(huán)不斷地侵蝕著我們星球的表面。在大陸深處，只有少數(shù)幾個地區(qū)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圣。生命的第一章就寫在這些巖石上，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么發(fā)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(jié)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，認清這一點尤為重要。

　　參考文獻

　　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. ?

　　本文為嚴肅科普媒體《返樸》（微信號：fanpu2019）首發(fā)，《返樸》由國際一流科學家和科普專家擔任總編及編委。任何媒體轉載時須保留《返樸》名稱及微信號和作者信息。未經許可，嚴禁對包括標題在內的任何改動。轉載、授權、合作請聯(lián)系fanpu2019@outlook.com。

　　

關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關科普知識
回復【人工智能】，了解更多人工智能活動詳情