为什么地球上的第一个复杂生命体出现在海洋中？

　　地球上第一种动物

　　撰文 | 祝叶华

　　137亿年前，宇宙大爆炸，一切从无到有。47亿年前地球形成，早期地球如炙热的炼狱，不断受到天外来客的袭击，随着袭击次数的减少，地球逐冷却下来并开始下雨，原始海洋形成了。生命起源的深海热液喷口假说认为，地球形成伊始，陆地环境太过恶劣，所以生命最初起源于深海。而对于生命进化中非常重要的节点——复杂生命形式是否仍然是在深海中最先形成的？——科学家一直没有搞懂。斯坦福大学的研究人员试图回答这一问题。他们在最近发表的研究中指出，深海是早期地球上温度唯一稳定的地方。深海为复杂生物提供了一个稳定的、维持生命的避难所，让这些蓬勃发展的生命形式能够充分利用有限的氧气供应，使其免受浅滩温度剧烈波动的影响【1-2】。

　　生命的起源与进化

　　探索远古时期的生命形状，可以知道从地球上最早生命形式的出现，到其迈出懵懂的第一步，动物是如何进化出灵活自如的身体、犀利灵敏的眼睛以及锋利尖锐的牙齿，也可以弄明白远古的生物是如何演变成我们所熟知的现代生物，当然也包括你我在内的人类。世界各地的科学家研究生命起源的历史可以追溯到有记载的年代。目前科学家们还在不断的研究和探索生命的起源之谜，在这个过程中，几种主要的假说被提出。

　　原始汤假说：“原始汤”实验展示了如何在模拟早期地球环境的实验室环境中，仅用少量无机“成分”就能创造出诸如氨基酸之类的生命构成元素。这一假说后来被推翻，因为科学家发现，“原始汤”中的一些“成分”实际上并不像之前认为的那样存在于大气中【3】。

　　有生源说理论：在地球形成初期，流星撞击地球的频率很高。支持这一理论的科学家们推测，撞击地球的一些流星可能携带着非常原始的细胞，或者至少是生命的组成部分，但生源说没有试图解释生命是如何在外层空间形成的【3】。

　　深海热液喷口假说：该假说认为地球早期的大气层是一个相当恶劣的环境，几乎没有氧气，也没有保护地球生命免收紫外线灼伤的臭氧层。所以有些科学家就认为生命是从海洋中开始的。紫外线可以穿透最浅的水域，因此生命可能开始在海洋深处。在海底，有一些地区被称为热液喷口。这些令人难以置信的“滚烫”的水下区域至今仍充满着非常原始的生命。相信热液喷口理论的科学家说，这些非常简单的生物体可能是前寒武纪时期地球上最早的生命形式【3】。

　　海底热泉（Ralph White / Getty Images）

　　关于生命的起源有许多相互竞争的理论，深海热液喷口假说被认为是最新的理论之一。本文的内容就是基于深海热液喷口假说展开的。原始单细胞出现于海洋后，在长达30亿年的时间里，它们是地球最高级的生物。但大约在6亿年前，地球的瓦兰吉尔冰期结束后，随着冰川的融化，富含营养的融水流入海洋，对于可以进行化合作用的微生物而言，这些夹杂着岩石的冰川是意外的收获，因为这些岩石的粉末是它们上好的肥料。蓝藻细菌以及其它光合作用细菌开始大量繁殖。在此后的几百万时间内，原本依靠分裂生殖繁衍后代的原始单细胞生命，随着氧气含量的增加，一些细胞开始黏在一起，这些细胞团逐渐进化成原始动物，复杂的高级生物出现了，它们有了具体的形态，埃迪卡拉纪生物群自此登场【4】。生命的类型也朝着多样化发展，埃迪卡拉纪为后来寒武纪生命大爆发做好了物质准备，在某个决胜时刻，寒武纪大爆发来了，这次生命大爆发给生物体配备了骨骼以及用于防卫和捕食的更精细的装备。寒武纪之后，猎物和捕食者的关系，让生物体的进化加快，只有适应能力最强的物种才能留在竞技场上，而其他的则被扔进了历史的垃圾桶中。

　　物种之间的战争推动着历史的车轮不断向前滚动。生命的进程如同一棵盘根错节的大树，所有衍化至今的各种各样的物种，在远古时代都有共同的祖先，而今天我们之所以与单细胞生物有所不同，就是因为进化的力量【5】。

　　深海“恒温”的庇佑

　　深海热液喷口假说认为，太阳的毁灭性射线一直狠狠地折磨着年幼的地球，陆地上几乎没有滋养生命的可能，所以只有在阳光无法摄入的深海才能为生命提供摇篮。而在一个氧气有限的世界里，新进化的生命需要尽可能有效率，而这只能在相对稳定的深度才能实现【4】。

　　此前，科学家们已经建立了一个理论，即生命体的存在需要有适宜的温度，在这个温度下，它们可以利用最少的氧气茁壮成长起来。科学家根据这一理论推测，在较冷或较暖的温度下，生物体氧气的需求量比适宜温度下要高。为了在一种让人联想到埃迪卡拉深海生物（Ediacara biota）的动物身上验证这一理论，科学家测量了海葵的氧气需求，海葵凝胶状的身体和通过皮肤呼吸的能力与从埃迪卡拉海洋中收集的化石的生物学非常相似[1]。斯坦福大学研究团队假设随着温度的升高，海葵耐受低氧的能力会变差。这种现象在鱼类、龙虾和螃蟹等更为复杂的动物身上得到了证实。科学家不确定更冷的温度是否也会影响动物的耐受性。事实上，当实验池的温度超出它们的舒适区时，海葵需要更多的氧气。这些因素加在一起，科学家推测，埃迪卡拉生物与海葵一样，也需要稳定的温度才能最有效地利用海洋有限的氧气供应【1】。

　　欧巴宾海蝎 (Opabinia)

　　在水面上，温度的变化幅度在10℃左右。然而，在海平面1千米以下，季节的温度变化小于1℃。文章的作者之一、斯坦福大学地质学助理教授埃里克·斯珀林表示，在当时的地球环境下，深海是温度唯一保持一致的地方。他们认为，在氧气含量有限的世界里，新进化的生命需要尽可能有效率的利用有限的氧气来维持生命活动，而这只有在相对稳定的深度才能实现，这就是为什么动物会出现在那里【1】。斯珀林表示，斯坦福大学此次的研究目的是应用动物生理学知识，在不断变化的环境中理解化石记录。这些信息可能有助于了解未来能够在不同环境中生存的生物种类。

　　填补进化缺失的一环

　　论证复杂生命体出现在深海具有非常重要的意义。其中非常重要的一个原因就是了解埃迪卡拉纪生物的起源，发现生命进化中缺失的环节。

　　埃迪卡拉纪被称作生物的伊甸园，在此之前，地球进入了冰期，大量的单细胞生物被冻死，但也有不少生物从冰河期成功逃脱。在地球走出冰期后，古菌、细菌和真菌揉搓着眼睛，将寒冷驱逐出自己的细胞膜，准备大干一场。所以在埃迪卡拉纪的海洋中发生了惊人的事情。与原始单细胞生命体不同，埃迪卡拉生物群的身体构造第一次呈现了两侧对称结构，生物身体的每个部分都有了明确的分工，例如，头部需要更多的感觉器官，所以逐渐有了眼睛和触须。这时的生物体看起来像现代水母、海鳃、蠕虫等软节肢动物。身体构造分工的精细化，让生物的身体移动更加灵活。但移动速度的加快，会消耗更多的能量，比如像狄更逊类拟水母那样的原始生物，紧靠表面皮肤来吸收营养的方式效率太低，因此他们进化出了最初的胃，嘴巴及牙齿，同时也催生了海洋中第一批捕食者，捕食者的到来引发了寒武纪生命大爆发，动物王国中的大多数现代分支（或门）在此期间出现【6】。

　　狄更逊水母化石（图片来源：D. GRAZHDANKIN）

　　板块构造和地壳的无情循环不断地侵蚀着我们星球的表面。在大陆深处，只有少数几个地区逃脱了这种命运，比如格陵兰岛和西澳大利亚州。专门寻找生命起源迹象的科学家们纷纷前往这些原始地点朝圣。生命的第一章就写在这些岩石上，科学家们希望能读懂它们【4】。

　　其实直到今天，生命的诞生仍是未解之谜，科学家们说不清楚这一过程到底是怎么发生的。然而有一点我们可以确定，那就是：从无生命到有生命，中间是没有一个明确的节点的。正如进化本身，生命的诞生也是一个漫长而混沌的过程。要判断生命的价值，认清这一点尤为重要。

　　参考文献

　　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. 弗兰克·施茨廷 著，朱刘华 颜徽玲 译. 海: 另一个未知的宇宙[M]. 四川人民出版社, 2018.

　　6. Eelco J. Rohling. The Ocean: A deep history[M]. Princeton University Press, 2017.  

　　本文为严肃科普媒体《返朴》（微信号：fanpu2019）首发，《返朴》由国际一流科学家和科普专家担任总编及编委。任何媒体转载时须保留《返朴》名称及微信号和作者信息。未经许可，严禁对包括标题在内的任何改动。转载、授权、合作请联系fanpu2019@outlook.com。