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地球上生命的起源和演化

未來,我們的子孫會往哪兒發展呢?對於宇宙萬物、地球歷史、腳底下不安世界多些了解以後,某些科學家預測,未來的人類不是在地球上滅絕,就是要離開地球才能存活。
 
 
 
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!
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