地球上生命的起源和演化
93/04/12
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李家維｜
清華大學生命科學系特聘教授
張志玲｜
《科學發展》特約文字編輯（文字整理）
想要了解地球生命的起源和演化，總不免抬頭看看，這個宇宙到底如何。在這個超過一百五十億年的宇宙裡，曾形成無數星球，也曾幻滅許多星球。像我們銀河系這樣的星系可能有上千億個之多。若將範圍縮小，只看地球所在的銀河，類似我們太陽的星球，約有兩千億個；每個太陽旁邊，又帶了些行星。可以想像，這個宇宙有多少像地球一樣的環境可以孕育生命呢？所以說，生命遍布在整個宇宙的想法是可以預期的。
生命起源說 各有論述
地球，大約在四十六億年前形成。過去二、三十年來，對於地球上生命起源的說法，一直在變，剛開始只是小幅度的改變，現在卻有較大膽的狂野想法。
過去的主流想法以「化學演化」來說明地球生命的起源。早期認為，地球生命開始於小分子、大分子到聚合物；從組成細胞、複製遺傳基因至細胞分裂繁殖，生命就開始了。但此場景究竟發生在什麼時候？產生了什麼樣的細胞？其實仍有很大的爭論。
其中一種想法是，生命可能來自於冰團。當海洋表面結成冰時，在冰晶縫隙裡，有機小分子聚成了大分子，生命於是開始。另一種想法是，受到月亮牽引潮汐的影響，海水蒸發，濃縮有機分子，岩石表面催化小分子的聚合，生命就這樣開始。最晚出現，大約一九七八年提出的想法認為，生命應從熱鍋開始：海底裂縫冒出的滾燙海水，最高超過攝氏300度，海水中夾雜很多特異的化學分子，這些化學成分和岩石作用後，不僅產生了海水裡的重要成分，生命也有可能從那裡開始。
生命跡象 出現在各個角落
化學演化說在過去幾年開始鬆動，大家不再那麼信心滿滿。七年前的夏天，美國太空總署對外宣稱，在一塊火星隕石上發現生命跡象。原來，一位美國女科學家於一九八四年在南極冰層上撿到一塊石頭，經分析確定，它是來自火星的第12塊被檢驗出來的隕石。見到石頭上微小的形體，太空總署有了些想法，這些想法，其實在過去20年裡已有許多生物學家提出。
究竟是什麼呢？在北投、在黃石公園、在一些可以把蛋煮熟的熱泉裡，竟然住著能行光合作用的細菌，它們不只耐熱還嗜熱。此外，若向地下鑽個三千公尺，那裡見不到陽光，得不到有機物滋養，卻也住了很多細菌，它們吃、睡、繁殖都在那兒，是一群會利用自然界化學分子與氧化還原反應取得能量的細菌。
另有些細菌，在琥珀裡睡了二千萬年後還能被叫醒。這樣的場景，在地球上很多地方都找得到。例如美國加州大學洛杉磯分校沈育培教授，她在中國東北的黑土底下找到許多古蓮子，用碳-14定年後發現，這些蓮子是依照唐、宋、元、明、清的順序躺在地下，其中最老的一顆，經鑑定已有1,288年歷史。若拿銼刀銼皮，讓蓮子吸水，再放入水裡三天，它不但萌芽，還能長出新的蓮苗來。
所以說，不只是細菌的生命堅毅，其他生物的生命也很堅毅。如果在高壓、高熱、高酸等極惡劣環境下生命仍可以存活，那麼，有什麼理由認為，這些生命不可以在星際間旅行呢？有什麼理由認為，它們不可以從一個星球散布到另外一個星球呢？
生命始於三十九億年前
這些堅毅的生命是從什麼時候開始的？科學界的說法不停地在修正，最近一次的說法是三十九億年前，那時候，天外流星仍不停地、猛烈地轟炸地球，在那擾攘不安的時代，生命已經開始。這個依據來自一些有機碳化合物的分子。
在寒冷的格陵蘭島上，某些磷酸鈣小砂礫裡包含著一些黑色的有機物質。雖然有機物質可以從自然界產生，也可以由生物合成，但是，分析當中的碳-12、碳-13比例後可知，這些黑色物質是由生物合成的。因為，只有生命可以擾動碳-12、碳-13的比例。若這個定義正確，那麼，在三十九億年前磷酸鈣形成的時候，那些小砂礫已經包住了細菌的分子。如果生命曾出現在三十九億年前，也有可能不只出現一次。地球上的生命曾遭遇多次浩劫，人類則是災難倖存者的後代。
共生 演化中的重要策略
想要為生命痕跡尋找證據嗎？疊層石是個好幫手。因為，疊層石是一種活石頭，在它的表面，有一群活著的細菌在那兒行光合作用。這些細菌，每天曬太陽、分泌膠質、將水裡的礦物質膠結住，也主動地把這些礦物質沉積下來。而石頭本身，就這麼一丁點一丁點地，一層層往上長。可以說，那些製造疊層石的生物，改變了地球空氣的組成，也決定了生命演化的方向。
地球就像其他行星一樣，在剛形成的時候沒什麼氧氣，只因氧是行光合作用的副產品，當氧氣隨著行光合作用的生物滋長且快速地增加以後，所做的第一件事，就是把地球給銹了。鐵，是地球上的第四大元素，在還原狀態時可溶於水，氧化後即沉積為鐵礦；現今煉鋼廠裡的鐵礦，大都是二十五億年前沉積的氧化鐵。沒錯，就在二十五億年前，疊層石生物產生的氧，把地球上的鐵都銹光了，之後，氧氣在大氣中開始侵害生命。
我們的祖先細胞因此面臨抉擇：滅絕，或是搬到沒有氧氣的地方居住。不過，聰明的祖先細胞選擇了「與細菌共生方式」存活下來。在此之前，細胞內沒有細胞核，所有化學反應都混在細胞質裡進行。當祖先細胞吞進原本獨立生活、又能利用氧氣的細菌後，開始發展「將不同反應放在不同細胞器官進行」的能力，既解決氧氣毒害問題，又強化了代謝協調的效率。細菌進入祖先細胞後，就再也無法和我們分開了，這是共生現象，是生命演化過程中非常重要的策略。
圓滾滾的動物胚胎
大約六億年到八億年前，至少有兩次，或者四、五次，地球凍成了冰球，每次凍結，就凍個千把萬年。地表上所有的水幾乎都成了冰，對生命而言，真是嚴苛的考驗，許多生命因此滅絕。
這現象一直維持到五億八千萬年前，地球回暖，大陸貴州附近變成溫暖的淺海。歷經兩、三億年後，貴州又逐漸變成陸地。四千萬年前，印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞、擠壓，拱起了青康藏高原，也隆起了雲貴高原，於是，累積在貴州的三、四千公尺的岩石，開始面對幾千萬年的風化侵蝕，到最後，終於土崩瓦解，露出藏在五億八千萬年前那些溫暖淺海裡的生物紀錄。
在貴州瓮安縣有個五億八千萬年前的地層，裡面發現許多比小米還小的顆粒狀構造，圓滾滾的外形，大大小小有好多種。把它們拿出來用放大鏡看，就能看到上頭的裂縫，一個裂成二個、四個、八個、十六個……，到底是什麼呢？動物的卵和胚胎！放在電子顯微鏡下觀察時，可清晰見到每一個細胞的構造；磨成薄片後，還可見到細胞與細胞間的界線，而且，每一個細胞核都在，連蛋黃構造都保存著。
到底是什麼動物能在遠古的歲月裡生下這麼多蛋呢？剛開始時，研究人員把石頭磨成薄片，或從裡面挑出胚胎，然後一個個去辨認；有時候敲開它們，看看內部構造。但對如此精美難得的化石，任何破壞都是一種罪惡，看來，要分析石頭裡的結構，非得研發更先進的技術不可。
非破壞性分析研究
正巧新竹清華大學隔壁是國家同步輻射研究中心，如果把粒子加很高能量後，可導出平行、高解析度的Ｘ光，這就可以為化石拍照，希望能顯現化石內部的細微立體構造。後來發現這個辦法真不錯，於是尋訪世界各國的同步輻射中心，看誰可以把這項技術做得更好。
如今這種非破壞性分析的X光顯微術研究，已在美國、韓國、瑞士、台灣等的同步加速器中進行。這些研究隱含著一個迷人的期待：十年以後，美國太空船從火星上帶回石頭，應該只有少數人有機會參與研究，到時候，誰有本事以非破壞性分析技術來看火星岩石裡面最細微的構造，誰就有機會爭取研究的優先權。
四月天 海底下熱鬧極了
從瓮安化石層一塊拳頭大的石塊裡，就可以找到上萬個動物胚胎，地球上還有這樣的場景嗎？其實在我們身邊就有。每年四月，月圓過後的第二天晚上，墾丁海底下的珊瑚都會集體產卵，無數的美麗卵泡，瞬間密布海水；不只珊瑚，很多無脊椎動物都在產卵，蚌殼把大量的精卵送出來，海膽、海星都在做這件事，四月天的夜晚，海裡頭熱鬧極了！
同樣場景，也可能出現在五億八千萬年前的瓮安，四月天，月圓後第二個晚上，海洋中的無脊椎動物正大量地釋放精卵。但災難突然來到，發育中的大量胚胎，很快地被殺死，再沖到附近一個有大量磷酸與鈣的海域，這些物質，又很快地把胚胎化成不朽的石頭。
地質學家習慣把地球的歷史切成兩段，一段稱為前寒武紀，另一段的開端就是古生代的第一紀–寒武紀。過去一百多年來，寒武紀的開端（五億四千萬年前）被認為是動物出現的時候，然而，出土大量動物胚胎化石的貴州瓮安地層，卻比寒武紀的開始早了四千萬年。顯然地，在寒武紀之前，地球上早就出現了很多複雜的動物。
海口蟲 演化中的重要生物
大陸昆明東南50公里遠的澄江縣也有個特別地層。五億兩千萬年前，那兒是一片溫暖淺海，但不知怎麼地，大約每隔一百年，附近就有個災難。只要災難一來，大量細緻的粉沙，會快速地把住在淺海裡的生物掩埋下來；在極短時間內，脫水、壓扁，許多生物還來不及被細菌腐化，就被壓成扁扁的化石，所有的構造細節都留在岩石上。那兒有很大一片區域布滿了這種化石，這些化石總稱為澄江生物群。
在滇池旁有一個叫做海口的小鎮，研究人員在一處不到四平方公尺的範圍內，找到三百多條小蟲子，取名海口蟲。牠的肌肉已經分節，有消化道、尾巴、肛門與四對生殖腺，更重要的是，牠有一個脊索動物的特徵──軟的彈性構造。
脊椎動物的特質是脊索，在當時，我們的祖先沒有選擇堅硬的盔甲，反而長出背部的脊索以便彈性地應付這個世界；又因為捨棄盔甲選擇智慧，所以長出個大腦來。脊索與大腦，成為無脊椎動物與有脊椎動物的最大區別，而海口蟲兼具這兩種構造，牠被認為是生物演化過程中一個非常重要的環節，也是無脊椎動物演化成脊椎動物的典型過渡代表。
連續火山爆發 古生代結束
古生代有很多紀，每一紀的結束，代表一次災難；每一次災難，都是生物滅絕的時候。到了古生代末期，陸塊逐漸聚集，海岸線消失，陸地中央變成沙漠。所以，地球變得很乾，有些生物耐不住乾旱而逐漸滅絕。
但是，有一件事澈底改變了這一切。大多數說法認為，現今的西伯利亞地方，在二億五千萬年前發生了連續的火山爆發，這個爆發大到無以描述，在二百五十萬平方公里的面積上，累積了四公里厚的岩漿，如果將它攤平到全世界，大概可以攤到七公尺厚。岩漿噴了多久？沒人知道，但必定噴出大量火山灰，遮天蔽日；噴出很多氧化硫，折射陽光，使地球冷卻；噴出大量毒氣；噴上天的氧化硫，遇水變成硫酸，落到地下變成酸雨。可以想像，那是場大浩劫！
結果，陸地上幾乎所有生物都死了，陸地上的大型動物超過三分之二消失；海洋裡，活下來的生物不到5％；災難後的地層裡，不再有卷柏、木賊的孢子，取而代之的是腐化這個世界的真菌孢子。你能想像那個悲慘歲月嗎？滿地毛茸茸的真菌，正快速地腐化死亡的生物遺體。然而，危機也是轉機，又有很多新生物開始出現，古生代結束，中生代開始！
蟲鳴鳥叫 恐龍是主角
中生代有些什麼呢？爬行生物飛上天，變成翼手龍；入了海，變成魚龍。最後，大到無以倫比，長度可到六、七十公尺，走起路來地都震了的恐龍變成主角。而中國東北的遼西地區，從那兒出土的帶羽毛恐龍化石，震驚全世界，使得長達150年的「鳥的祖先可能是恐龍」的爭論，暫時停火。
回溯一億兩千四百萬年前，遼西地區是一片大森林，布滿沼澤，花已經演化出來，蟲鳴鳥叫，生機盎然。依照人們尋找化石的經驗，天上飛的鳥通常不容易保存為化石，但在那兒，卻有上百種、幾萬個鳥化石，有些精美的標本上，每根羽毛都在。當時在那兒必定經常發生火山爆發，每次爆發，就在地層裡留下一層層火山灰，有些厚，有些薄，頻率相當高。
稍微想像一下：火山爆發，火山灰，快速侵蝕那個生態世界，鳥、獸受到驚嚇，爭先恐後地逃出林子，拼命往水邊跑。有些鳥，飛到一半，被後頭的火山灰、毒氣趕上，栽下來，掉到爛泥裡，掉到火山灰裡。火山灰的粉末極細緻，滲入鳥翅膀的每個空間，鳥羽毛被完整地保存下來，細菌都還來不及分解，整隻鳥就變成了化石。帶羽毛恐龍化石，想必也是如此形成的。
自從一九九六年，第一隻帶羽毛恐龍化石被發現後，直到現在，這兒又陸續發現十幾種帶羽毛恐龍。但是，為何世界上其他地方未曾發現呢？除恐龍種類不同外，應是遼西地區特殊的地質條件和埋葬條件，使得羽毛能夠清晰地保存下來。
植物開花 生命共同演化
地球上有這麼豐富的色彩，這麼多種類的生物，能夠造就這麼多樣性的世界，都要歸功於植物開花。植物開花的目的不在吸引同伴，花蜜和花香是為動物製造的，一旦動物被吸引過來，就可幫忙傳播花粉，傳播種子。
昆蟲，在植物身上留下了蛋，蛋孵出來變成毛蟲，毛蟲開始啃食葉子；植物不喜歡，為了活下去，就做出毒汁、長出刺；蟲子要活下去，又演化新的能力，目的是要分解毒汁，閃躲刺。地球上生命的合作競爭，就這麼反覆發生，這就是生物學上所說的共同演化。
在很短時間內，共同演化造就了三十萬種以上的開花植物，和一百萬種，甚至一千萬種的昆蟲。在什麼時候，什麼場景下，哪一種植物在地球上開出第一朵花，是演化生物學家很想知道的答案。只是，花如此脆弱，在植物生命裡出現的時間這麼短暫，又怎能變成化石呢？因此，找到最古老的開花化石，是科學家極度渴望的事。
一九九八年，中國科學院南京地質古生物研究所孫革等人發現了遼寧古果化石，相關文章在英國《自然》雜誌發表，可惜化石上只有果子，沒看到花；之後中國地質科學院地質研究所的季強和孫華，在遼西發現保存完整的中華古果化石，相關報導在二○○二年《自然》雜誌上刊出。如今國際科學界已承認，古果化石是目前世界上已知最早的被子植物。
終於看到祖先的模樣
人類屬於「有胎盤哺乳動物」，對於有胎盤哺乳動物的研究，最近幾年有驚人的發現。在遼寧淩源市義縣一億兩千四百萬年前的地層內，季強和美國卡內基自然史博物館的羅哲西發現真獸類（有胎盤類）哺乳動物化石，並取名攀援始祖獸（Eomaia scansoria）。相關研究報告在二○○二年四月出刊的英國《自然》雜誌發表。
在過去，生物學家沒看過有胎盤哺乳動物祖先的模樣，古生物學家也只能從岩層裡篩出細碎的牙齒做研究。這次發現的攀援始祖獸化石，毛在、牙齒在、每根骨頭都在；牠的身長約八公分，體重約25公克，具有可以靈活攀援的肢骨特徵，屬真獸類，是世界上已知的，有胎盤哺乳動物中最古老、最原始的物種。所有包括人類在內的現有胎盤哺乳動物，都是真獸類哺乳動物的後裔。
天崩地裂 新生代來臨
對於中生代的結束，最盛行的說法是：六千五百萬年前，一塊十公里大的石頭，挾持著重量與速度，掉落在墨西哥海邊，瞬間，海水蒸發！這個石塊繼續往下鑽，碰撞到的岩石是碳酸鈣和硫酸鈣，碳酸鈣產生二氧化碳，汽化了；硫酸鈣產生二氧化硫，出去了。二氧化硫衝上了天，和水結合，變成酸雨落到地面；未結合的，就把陽光反射回去。石塊再繼續往下鑽，更底下是矽酸岩組成的花崗石，花崗石熔化成岩漿，噴到天空，冷卻後，變成黑色的黑曜石，在附近灑下一片玻璃雨……。
地球正在天崩地裂之際，海水則猛烈沖擊著海岸，變成海嘯，更在岸邊掀起四千公尺高的滔天巨浪。今天的德州，仍可看到一道三百公里長的石牆，可能是當時隨海嘯沖過來的石頭堆疊起來的。這樣的撞擊，或許又讓位在地球另一邊的印度發生地震，引發火山爆發。我們的地球，陷入了什麼樣的困境呢？有火山灰、毒氣體、酸雨、沒有光線、植物死亡、動物餓死、超過80％的海洋與陸地生物滅絕、中生代結束！少量倖存的生物，重新開始迎接新生代的來臨！
