【博科园-科学科普】地球上的生命经历了漫长而动荡的历史。科学家估计大约40亿年前，即地球形成后的5亿年，出现了第一批单细胞生物。据信在太古宙(4到25亿年前)，多细胞生命形式出现了。虽然这些生物(古生菌)的存在是从远古岩石中发现的碳同位素推断出来的，但化石证据仍然是难以捉摸的。
来自加州大学洛杉矶分校和威斯康星大学的威廉·舍普和他的同事们用一种叫做次级离子质谱的尖端技术对微生物进行了分析。图片版权： John Vande Wege/UCLA
由于最近由加州大学洛杉矶分校和威斯康星大学麦迪逊分校的研究小组所做的一项研究，所有这些都改变了。在研究了来自西澳大利亚的古岩石样本后，该研究小组确定，这些化石中包含了34.65亿年前的不同生物体的化石残骸。结合最近的一系列系外行星的发现，这项研究加强了宇宙中生命丰富的理论。
这项研究名为“对已知最古老的化石组合进行分析，记录它们的碳同位素组成”，最近发表在《美国国家科学院院刊》上。正如研究小组所指出的，他们的研究是由碳同位素分析得出的11个微生物化石，这些化石取自于一个有3亿465亿年历史的西澳大利亚先端燧石。
西澳大利亚的Apex chert，在那里发现了34.65亿年的化石。图片版权：John Valley/UW-Madison
这11个化石在性质上是不同的，研究人员根据它们明显的生物学功能将它们分为5个种类。然而两个化石样本似乎已经完成了一种原始的光合作用，另一种显然产生了甲烷气体。剩下的两种似乎是甲烷-消费者，他们用来建造和维护他们的细胞壁(很像哺乳动物如何使用脂肪)。
j . William Schopf——加州大学洛杉矶分校的古生物学教授，也是这项研究的主要作者——在加州大学洛杉矶分校的新闻发布会上指出：到34,650亿年前，地球上的生命已经多样化；这是很清楚原始的光电合成器，甲烷的生产者，甲烷的使用者。这是第一个数据，显示了地球历史上非常多样的生物，之前的研究表明也有34亿年前的硫生命体。
这项研究是迄今为止对保存为古代化石的微生物进行的最详尽的研究，其基础是Schopf和他的同事在过去20多年里一直在从事的工作。早在1993年，Schopf和另一组研究人员进行了一项研究，首次描述了这些类型的化石。2002年又有一项研究证实了这一研究结果。
在最新的研究中Schopf和他的团队确定了是什么样的生物，有多复杂。为了做到这一点，用一种叫做次级离子质谱(SIMS)的技术来分析这些微生物，它揭示了碳- 12与碳- 13的比率。碳- 12是稳定的，是自然界中最常见的一种，碳- 13是一种不太常见但同样稳定的同位素，用于有机化学研究。
研究人员分析的微生物。图片版权：J. William Schopf/UCLA
通过将碳从每一个化石中分离出来，并确定它们的同位素比例，研究小组就可以推断出这些微生物的生存时间以及它们的生活方式。这项任务由威斯康星大学的研究人员完成，由约翰·谷教授领导。碳同位素比值的差异与它们的形状有关，c - 13到c - 12比率是生物学和代谢功能的特征。根据目前的科学共识，先进的光合作用还没有形成，直到5亿年后氧气才会出现在地球上。到20亿年前，氧气的浓度开始迅速增加。这意味着这些化石，大约是地球形成后10亿年左右的时间，在那时它们的大气中只有少量的氧气。
考虑到氧对这类原始的光合成器是有毒的，它们在今天相当罕见。事实上只能在有充足光线但没有氧气的地方才能找到，而这种物质在组合中很少出现。更重要的是，岩石本身也是一种巨大的兴趣，因为地球表面的岩石平均寿命只有大约2亿年。当Shopf刚开始他的职业生涯时，最著名的岩石样本已经有5亿年的历史了。这意味着他和他的团队所研究的含化石的岩石和地球上的岩石一样古老。为了在这些古老的样本中发现化石生命，我们发现，在地球上已经有了不同的生物体和生命周期，而科学家们直到现在才开始怀疑这一点。
未来SIMS技术可以用来寻找火星上的化石生命迹象。图片版权： NASA/JPL
这些发现自然对研究地球上的生命是如何以及何时出现的研究有一定的影响。在地球之外，这项研究也有意义，因为它证明了生命是在地球还很年轻、处于原始状态时出现的。因此在宇宙的其他地方也发生了类似的过程。这告诉我们，生命必须在更早的时候开始，它证实了原始生命的形成和进化到更高级的微生物并不困难。如果条件是正确的，那么看起来宇宙中的生命应该是普遍存在的。
这项研究是由美国宇航局天体生物学研究所提供的资金来完成的。展望未来，Schopf表示与这些化石相同的技术可能会被用于研究由美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的载人火星任务带回的岩石。预计在2030年，这项任务将需要找回火星2020探测器获得的样品，并带回地球进行分析。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：UCLA, PNAS
