第七章 红地球 光合作用和大氧化事件 地球年龄：10亿年到27亿年
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我们先快进到今天。很明显，生命已经不可逆转地改变了地球的近地表环境，最明显的例子是海洋和大气，岩石和矿物同样如此。在最初的活细胞出现后，又等了10多亿年，这种转变才开始。
在那个时期，新的微生物变种可能在一些沿海地区产生了一种褐色或紫色的浮渣。当一些“聪明”的细胞尝试新的方法，利用太阳的辐射能时，甚至可能出现了一些绿色的污泥，点缀着赤道海滨和浅塘。但是大陆依旧贫瘠，岩石景观上没有任何植物，也没有任何以植物为食的动物。如果你被困在这个缺氧的世界里，你很快就会在痛苦中死去。
在一个地质时间尺度上的“下午”，随着制造氧气的光合作用以及随之而来的大气的出现，地球表面由沉闷的灰色变成了砖红色。我们很难确切地知道，黏滑的绿藻何时并以多快的速度进化，从而触发了被称为大氧化事件的这一转变。我们最可靠的猜测来自岩石记录中的细微变化，它表明，大约在25亿年前，也就是地球20亿岁生日后不久，地球出现了一次光合作用的高峰。在这个温和的开端之后，事情发生得相当迅速。到了22亿年前，大气中的氧气已经从零上升到现代水平的1%以上，这永远地改变了地球表面。
随着意想不到的新线索的出现，以及对有潜力的新证据的认真研究，关于地球最初氧化作用的迷人故事，直到现在才成为人们关注的焦点。在过去半个世纪的古大气研究中，出现过许多互相抵触的观点，这些观点有时甚至截然相反，但科学方法是一个巨大的扬谷机，它筛掉了那些站不住脚的和错误的观点。我们还没有得到完整的故事，但我们正越来越接近它，那些不断浮现的画面（真的）令人忍不住“屏息”凝视。
岩石的证词
大氧化事件的证据来自越来越多的岩石和矿物的观测证据，这些岩石和矿物可以追溯到约20亿年到35亿年前，横跨了地球历史很长一段时间。一方面，许多超过25亿年的岩石含有一些矿物，但这些矿物其实很容易被氧气的腐蚀作用破坏，这就说明，在那个时间之前，存在着一种无氧的环境。地质学家在古老的河床中发现了未风化的圆滑的黄铁矿（硫化铁，也称为愚人金）和晶质铀矿（最常见的铀矿物）的卵石，这些河床中的矿物在今天富氧的地表环境中会被迅速腐蚀并分解。这种古老的砂层也有一种指示性的化学特性，它通常富集了像铈这样回避氧的元素，但与今天的土壤相比，它又明显缺乏铁等其他元素。这些化学上的异常之处进一步表明，当时的大气缺乏氧气。
相反，小于25亿年的岩石则包含了许多明确的氧气痕迹。在18亿年到25亿年前，大量被称为条带状铁岩层的氧化铁矿床以惊人的丰度沉积下来。这些独特而致密的岩层呈现出黑色和锈红色相间的颜色，它们占据了世界已知铁矿石储量的90%。锰氧化物也突然出现，产生了厚厚的分层矿床，现在成为世界上主要的锰矿储藏库。在大氧化事件后，其他数百种新的矿物同样首次出现在岩石记录中，包括铜、镍、铀等物质的氧化矿石。然而，尽管矿物学“名录”有所扩大，一些科学家仍然不相信大氧化事件真的是一次事件。大气中的氧气也许只是缓慢而稳定地上升。又或者，斑驳的、被侵蚀的岩石记录也许并不完整，具有误导性。
大氧化事件
大氧化事件的确凿证据出自一个意料之外的来源，那就是近期得到的常见元素硫的同位素的惊人数据。20世纪90年代，作为同位素的主要分析仪器，质谱仪的分辨能力和灵敏度有了显著提高。新一代的质谱仪让科学家能够以越来越高的精度分析越来越小的样品，甚至可以分析微观矿物颗粒或单个活细胞。硫是生命的基本元素之一，它被证明是一个特别适合的研究对象，因为自然界中有四种稳定的硫同位素，分别是硫-32、硫-33、硫-34和硫-36。所有这些同位素的原子核中都有硫所必需的16个质子，但中子的数量从16个到20个不等。
硫的同位素分布通常可以简单地根据质量来预测。所有原子都会来回摆动，但质量较轻的同位素摆动得更多。因此，在化学反应中，轻的同位素比重的同位素更容易跳跃。这种选择过程被称为同位素分馏，它在任何一组硫原子经历化学反应时都会发生，无论是在固体岩石还是在活细胞中。对硫来说，原子质量为32的同位素通常比质量为34或36的同位素要分馏得多。此外，分馏比通常与同位素的质量比直接相关，也就是说，硫-36与硫-32的分馏程度几乎总是硫-34与硫-32的分馏程度的两倍。这一基本物理性质直接来自牛顿定律：力等于质量乘以加速度。更小的质量意味着更大的加速度，所以在给定的力下，硫-32比硫-34摆动得更多，而硫-34又比硫-36摆动得更多。
加利福尼亚大学圣迭戈分校坐落在风景秀丽的海滨上，10年前，在那里工作的地球化学家詹姆斯·法夸尔（James Farquhar）发现，在超过24亿年历史的岩石中，硫的同位素分布发生了明显而出乎意料的变化。较新的岩石和矿物几乎总是显示出预计中的根据质量分布的趋势，这些岩石和矿物中硫的同位素占比几乎完全取决于质量占比。但是法夸尔和同事看到，许多超过24亿年的岩石中硫的同位素分馏完全不同，在一些样品中，原始的偏差达到百分之零点几（在这种情况下这个数字是很大的）。是什么导致了这些与质量无关的偏差，让结果偏离了无懈可击的牛顿运动定律？
在实验证据的支持下，聪明的理论学家很快就指出了一种解决方案，它就在量子力学的细微差别中。在紫外辐射的影响下，同位素的行为可能会偏离牛顿体系的理想结果。结果表明，具有奇数质量数的同位素，比如硫-33，可以被紫外辐射选择性地影响。如果二氧化硫或硫化氢分子碰巧有硫-33，并且该分子遇到了紫外线（极有可能是大气中的紫外线），它可能更容易发生反应。硫-33经历了一次“与质量无关的分馏”，使同位素占比发生了偏差。
欧航局拍摄的地球臭氧值变化图
但是，为什么在24亿年前地球突然发生变化了呢？答案就在臭氧吸收紫外线的特性中。臭氧是一种由三个氧原子组成的分子，在过去20年里，它一直频繁地出现在新闻上。今天，大气中的臭氧提供了一种必要的屏障，阻挡来自太阳的潜在致命的紫外线。过去20年的测量显示，这个高海拔的臭氧层已经被严重消耗，很可能是由于臭氧与人类制造的化学物质氯氟烃（CFC）发生的破坏性反应。（曾经用于空调的氟利昂就是最著名的例子。）这样一个“臭氧空洞”会让更多致癌的紫外辐射到达地球表面。好消息是，全球禁止生产氯氟烃似乎正在使臭氧层迅速恢复。
在氧气含量上升，以及由此产生的臭氧层带来宇宙防晒能力之前，大气中的硫化物受到连续的紫外辐射。在如此恶劣的条件下，含硫-33的化合物经历了与质量无关的分馏。在大氧化事件之后，上层大气中的氧与这些硫化物发生反应，几乎消除了这种奇怪的同位素效应。
随着全世界一个又一个实验室对法夸尔的发现进行验证和补充，绝大多数地球科学家接受了大氧化事件的现实。除非科学家发现了臭氧以外的阻挡紫外线的方法，否则硫的同位素数据就将大氧化事件的开端确定在了大约24亿年前。
制造氧气
那么所有的氧气来自哪里呢？现在，任何生物学入门课最初的主题之一都是光合作用，也就是植物通过与水、二氧化碳和阳光结合缔造它们的组织，同时产生氧气这种副产品的非凡能力。我们现在理所当然地认为，植物扮演着核心角色，让我们的世界成为一个宜居的地方，但光合作用的发现是科学上最伟大的进步之一。就像许多重要的科学发现一样，它是一点一点地被探索出来的。
首先被发现的是水的作用。对17世纪的科学家来说，植物生长的复杂机制还是一个谜，但是一种普遍的假设认为，植物的组织必定来自富含矿物质的土壤，植物生长时一定会消耗这些土壤。到了17世纪40年代，佛拉芒医生扬·巴普蒂斯塔·范海尔蒙特（Jan Baptista Van Helmont，1579—1644）通过一个简单的实验，来验证这个假设。用他本人的话来说是：
我取出一个陶制瓮罐，里面有200磅在炉里烘干的土，我用雨水把土打湿，然后把5磅重的柳树枝干或茎栽在里面。终于，5年过去了，柳树从土里生长壮大，约169磅3盎司重。但在必要时，我会用雨水或蒸馏水浇灌瓮罐。最后，我再次烘干了容器里的泥土，发现它还是200磅重，只差约两盎司。也就是说，164磅的木头、树皮和树根，从水里一点点地长了出来。
范海尔蒙特的发现是一个巨大的进步，尽管（我们现在知道了）水只是故事的一部分。
一个世纪后，英国牧师、博物学家斯蒂芬·黑尔斯（Stephen Hales）首次提出，植物依赖水，同样依赖空气中的某些成分，也就是大气层中的二氧化碳。我们现在了解了，土壤中的水和空气中的二氧化碳是光合作用生物体的主要“原料”。（具有讽刺意味的是，范海尔蒙特本人发现了二氧化碳气体，但他没有意识到二氧化碳在植物生长中的核心作用。）
即便如此，阳光的作用依旧神秘，300年后才有更多细节浮现。核物理学的进步为它铺平了道路。被称为回旋加速器的新一代粒子加速器，首次稳定地提供了高放射性同位素碳-11，是一种对生物反应极为敏感的探针。在20世纪30年代末，加利福尼亚大学伯克利分校的塞缪尔·鲁本（Samuel Ruben）和马丁·卡门（Martin Kamen）将植物暴露在碳-11标志的二氧化碳中。这样一来，他们就可以利用具有指示作用的放射性来跟踪二氧化碳进入植物组织的过程，尽管由于碳-11的半衰期只有短暂的21分钟，而让实验变得极其困难。
1940年，鲁本和卡门发现了一种制造碳-14的方法，碳-14是一种更合适的示踪同位素，它的半衰期是5 730年，这彻底改变了生物物理研究，并让人们很快了解了植物是如何利用水、二氧化碳和阳光的。简而言之，有一种被称为RuBisCo（核酮糖-1，5-双磷酸羧化酶）的精巧而古老的蛋白质，是在蓝藻中发现的化学物质，被认为可以追溯到30亿年或更久以前，它会浓缩二氧化碳和水，帮助组装这些原材料，形成基本的生物积木。光合作用产生了我们呼吸的氧气，在光合作用的反应中，藻类或其他植物会消耗六个二氧化碳分子和六个水分子，来制造一个葡萄糖分子，并产生六个氧分子作为副产品。这种化学转变是我们熟悉的老朋友，也就是氧化还原反应（比如铁生锈）的另一个例子。在这种情况下，二氧化碳中的碳原子会获得电子，并因此被还原，而水或其他电子给体则被氧化。在光合作用中，阳光提供能量，推动电子的转移。
虽然这个化学反应听起来简单直接，二氧化碳加上水（或其他一些能提供电子的化学物质），生成糖和其他生物分子，但光合作用的过程极其复杂，目前仍在研究中。首先，微生物找到了很多不同的方法来获取阳光和其他能源。现在，大多数产生氧气的植物包括藻类利用浅绿色的叶绿素来吸收红色和紫色波长的光。但纵观地球历史，各种各样的细胞采用了其他的光合途径，这些途径根本不会产生氧气。其他的吸光色素进化出了各种各样的颜色，装饰着红藻、褐藻、紫菌以及格外迷人的硅藻和地衣。一些别出心裁的微生物甚至能利用红外辐射来为光合反应供能（我们的眼睛完全看不见红外波长，但我们裸露的皮肤会感觉到热能）。
光合作用的复杂起源是生物化学家罗伯特·布兰肯希普（Robert Blankenship）研究的重点，他是圣路易斯华盛顿大学化学系和生物系主任。布兰肯希普和他的合作者，包括来自亚利桑那州立大学颇有影响力的天体生物学团队的前同事，寻找着地球和其他星球上有关早期生命的迹象。他们的策略是研究许多不同种类的活微生物的各种光合途径（这些微生物有紫色的、棕色的、黄色的还有绿色的），并仔细研究它们的基因组之间的异同。数据包括了复杂的光合装置的许多方面，比如光合色素的多样性，将电子从一个分子转移到另一个分子的蛋白质“反应中心”的精确分子序列，这些被转移的电子制造细胞积木的方式，甚至“天线系统”多种多样的结构。（引人注目的是，细胞已经进化出了分子集群，这些分子就像收集光的微小天线一样工作。）
布兰肯希普发现，生命已经设计出了数量惊人的光合作用策略。生命似乎利用了任何可以利用的能源。微生物一次又一次地找到新的方法来收集光，以供自身生长和繁殖，它们至少找到了五条不同路径，一直可以追溯到地球演化史的远古时期。这段历史还有许多细节尚不清楚，但那些最古老、最原始的聚集能量的化学反应（或许可以追溯到35亿年前），显然还没有产生丝毫氧气。这些早期细胞的祖先存活到了今天，说明最悠久的生物化学性是厌氧的，既不需要氧气，甚至也对氧气不耐受。
布兰肯希普及其合作者的研究不仅揭示了这些不同的化学策略的广泛性，它还表明，微生物有一种倾向，它们喜欢打乱和交换收集光的基因，借鉴它们竞争对手的光合途径，就像获取行业机密一样。事实上，几乎所有植物使用的现代光合作用机制似乎都是两个更原始的机制的组合，这两个机制被平平无奇地称为光系统I和光系统II。当代生物因此拥有了复杂的生物合成反应，它们收集并利用太阳光的效率远远高于地球早期阶段的那些生物。
更多氧气
即使没有光合作用，地球表面也会因为氢分子缓慢逃逸进入太空，而经历一个缓慢的（也是无关紧要的）氧化过程。在大气中，H2O分子很容易受到紫外辐射和宇宙射线的破坏，从而将水分解成氢和氧。来自水的原子重新排列成其他简单的分子，主要是H2和O2，还有少量的臭氧O3。由此产生的能够快速移动的H2氢分子，不同于由氧构成的笨重得多的O2分子和O3分子，它们能逃脱地球引力的持续牵引，飞向太空。在整个地球历史中，少量的氢以这种方式流失，逐渐累积留下了过量的氧气。即使在今天，这个过程仍在继续，每年都有相当于装满几个奥运会游泳池大小的氢原子逃逸到太空中。体积较小的火星经历着同样的过程，但它用来保存氢的重力更小，以至于流失掉了大量的水。在超过45亿年的时间里，近火星表面的大部分氢因此逃逸到了太空，而近表面的铁矿物已经生锈，使火星变成今天的这种红色。即便如此，火星稀薄的大气中的氧气总量还是极为稀少，如果它全部冷凝到火星表面，液氧层的厚度还不到千分之一英寸。
同样经过数十亿年，氢的损失不可逆转地产生了氧气，这可能会使地球表面变成锈红色，但它对地球早期的环境不会有太大影响。即使是最极端的估计，在大氧化事件之前，每万亿个大气分子中也只有不到一个是O2。（现在这个比例是五分之一。）地球表面的微量氧会被大量铁原子争来抢去，它们被消耗的速度就和产生的速度一样快，因为这些海洋中和土壤中的铁原子一直等待着被氧化。即使地球仍然没有生命，最终，在大陆较为古老而稳定的部分出现了红色的风化带，这种表面的胭脂涂层仅仅是一种装点。
生命也可能在光合作用之前贡献了一小部分氧气。事实上，细胞已经学会了至少四种方法，从周围环境中制造氧气。产氧光合作用是现今最主要的一种，但其他生化途径在远古时期可能起到了一小部分作用。
生命尽其所能地从环境中汲取能量。在释放氧气的同时获得能量，最简单的方法是从一个已经富含氧且具有高度活性的分子开始。因此，许多微生物已经学会利用过氧化物分子（过氧化氢，由大气中的反应产生）来产生氧气和能量。不可否认的是，在大气中的氧气含量上升之前，这样的分子种类十分罕见，而这类微生物机制在改变地球早期环境方面不可能发挥太大作用。
荷兰的一个微生物学家团队近期报告了一个更为相关的制造氧气的情景。他们发现了一些惊人的微生物，通过分解氮氧化物获得能量。在地球历史的早期，这些被称为氮氧化物（NOX）的化学物质通过氮气与矿物的反应产生，比如产生于雷暴天气下。现在，由于富氮肥料的广泛使用，许多湖泊、河流和河口都受到了NOX化合物的严重污染，导致大量微生物出现。新发现的微生物能够将氮氧化物分解为氮和氧，然后利用氧“燃烧”天然气，也就是甲烷，从而获得少许能量。在像火星一样缺氧的世界里，这样一种精巧的化学策略可能特别有用。
化石证据
在所有制造氧气的机制中，光合作用是无可争议的冠军，但是光合作用和氧气的产生是多早的时候开始的呢？古生物学家仔细观察了古代生物世界中可触碰的残骸碎片，他们比其他任何领域的科学家能更清楚地看到过去与现在之间的联系。因此，或许并不令人意外的是，他们成为第一批发现20多亿年前的地球充满氧气的证据的人。在寻找最早的光合作用的过程中，化石猎人自然而然地把注意力放在了地球最古老的岩石上。
古老的光合细胞的化石证据充其量也只是一些碎片。极少的珍贵的微生物遗骸经历了数十亿年的埋藏、加热、挤压和化学变化，留下来的东西被炙烤、压碎，我们通常需要丰富的想象力才能对其过程做出生物学上的解释。化石微生物群看起来通常只有黑色的小污点那么大，因此，或许并不意外的是，每一份有关20亿年前的微生物的报告即使没有遭到直接的嘲笑，也都受到了谨慎的怀疑。
在过去40年的大部分时间里，加利福尼亚大学洛杉矶分校古生物学教授J.威廉（比尔）·绍普夫 [J. William (Bill) Schopf]一直是对古生物学的严谨性最热忱的捍卫者之一。在他对越来越古老的微生物化石进行研究的基础上，绍普夫制作了一份清单，列出了确认生命存在的充分且必要的特征。绍普夫最早关注的是年代相对较近的、保存完好的清晰标本，他是将化石记录的历史推得越来越远的最具说服力的科学家，他已经将最古老的记录追溯到距今30多亿年的历史，进入了遥远的太古宙。
绍普夫的标准非常简单，也很合理。化石微生物必须来自年代确定的沉积层，且这些沉积层位于微生物曾经生活过的环境中。化石必须显示出大小和形状的统一性，比如一致的球状、杆状或链状，而不像许多古老的岩石中发现的那种形状没有规则的黑色斑点和条纹。绍普夫和他的学生还利用统计学来消除观测地球最古老的沉积岩所固有的一些主观性。
这套关于微生物化石基本特征的定量目录对绍普夫来说很有用。他能够针对新发现的化石发表一些无可争议的描述，同时也能针对竞争一方的研究人员提出的一些更可疑的古生物学主张进行质疑。他最著名的挑战是在1996年，当时，NASA的科学家宣布在一块火星陨石中发现了微生物遗骸。同年8月，在NASA举办的一次引人注目的新闻发布会上，绍普夫是唯一的反对声音。他不加掩饰地轻蔑地指出，火星“化石”太小了，缺乏化学和矿物学的证据支持，而且它被划分在了错误的岩石类型中。（尽管绍普夫的观点很有说服力，克林顿总统仍然称赞了这一发现，这可能导致了NASA对天体生物学研究的资助大幅增加，最终支持了我们许多人的生物起源研究，包括绍普夫本人的研究。）
蓝藻，又名蓝绿藻或蓝细菌，是一种原核生物，也是最早的光合放氧生物，对地球表面从无氧的大气环境变为有氧环境发挥了重要作用
颇为讽刺的是，绍普夫很快就遇到了同样刻薄的批评，因为他曾在1993年宣布，他在澳大利亚西北部近35亿年前的岩石组阿派克斯燧石中发现了地球上最古老的微生物化石。照片显示了一些细长的黑色结构，还带有细胞分裂形状，这似乎足够吸引人了。这篇备受关注的论文发表在《科学》杂志上，附带了化石照片，并用精致的线条画作为补充（来“帮助辨认”），这些线条画旁边放着蓝藻的照片，与现代光合微生物看起来很相似。绍普夫甚至声称，他发现的化石可能是氧气制造者。几年之内，他最有说服力的照片就成了有史以来被复制最多的古生物学图片之一，出现在许多教科书上，图注照搬了“最早的化石”这一结论，并常常暗示这种微生物是进行光合作用的。
科学界有一条规则，非同寻常的观点需要非同寻常的证据。同样，非同寻常的观点通常也会受到非同寻常的审核。绍普夫的所有化石标本都保存在伦敦大英博物馆里，它们被加工成透明的岩石薄片截面，经过精心编目后放在载玻片上。2000年，牛津大学古生物学家马丁·布拉西尔（Martin Brasier）开始对这些阿派克斯燧石材料进行详细的重新检查，得出了一个截然不同的结论。
绍普夫的阿派克斯燧石“薄片”实际上相当厚，至少与微生物的大小相比是这样的。布拉西尔和其同事最终找到了绍普夫拍摄和公布的大多数微小物体，但他们惊讶地发现，许多照片都是误导。绍普夫的每一张经典照片都代表着一个微观焦面，也就是一个穿过模糊的黑色三维物体的二维薄片。布拉西尔和团队采用了一种更先进的摄影技术，创造了图像的三维拼接，从而揭示了一个更加复杂的故事。只有将显微镜聚焦到绍普夫照片的那个深度，他们才能复制出经典的顶尖“化石”图像。但是稍微升高或降低焦点，最初看起来令人信服的细长的微生物细胞串，就会变形成波浪形的片状或不规则的团块，有时还会有褶皱、分叉或弯曲。根据布拉西尔的观察，“微生物链”是复杂的三维结构中被错误地选择出的横截面，这些三维结构与任何生物体几乎都没有相似之处。布拉西尔和其同事提出了令人尴尬的挑战，《质疑地球上最古老化石的证据》出现在2002年3月7日出版的著名期刊《自然》上。
绍普夫用文章《地球最早化石的激光拉曼图像》进行了反击，这篇文章就发表在同一期上布拉西尔文章的后面。绍普夫和其同事对阿派克斯燧石富含碳的黑色斑点进行了新的分析，显示它们具有与生物一致的同位素成分和原子结构。他大胆地重复了“最古老的化石”的说法，但他似乎放弃了关于微生物进行光合作用的解释。尽管如此，怀疑的种子已经播撒在了绍普夫的主张上，并且提高了寻找生命最早迹象的标准。
（在最新的后续研究中，马丁·布拉西尔和其同事在澳大利亚进行了考察，现在他们认为发现了“最古老的化石”，那是在34亿年前的斯特雷利池形成的微生物遗迹，发现它们的地方距离绍普夫找到的更古老但仍有争议的斑点只有20英里。几乎没有观察者认为这一进展会是辩论的结语。）
最小的化石
想象一下，一群微生物死亡时会发生什么。就像是一小袋化学物质变成碎片飘散开来，这些化学物质曾经就是活的细胞。大的生物分子被分解成更小的分子碎片，主要是水和二氧化碳。其他微生物可能会吃掉最美味的部分，而无法消化的分子则溶解在海洋中，或者蒸发到空气中，或者被困在岩石中。就这样过了几年，什么东西都没了，因为时间对这样脆弱的分子遗骸并不友好。
在一些特殊情况下，如果死细胞很快被掩埋，且周围没有腐蚀性的氧气，所在的岩石也一直没有变得太热，那么一些最坚强的生物分子可能会存活下来，尽管它们的形态会发生很大变化。最有可能保留下来的分子是由大约20个碳原子组成的坚实骨架，这些原子有时排列成一条简单的长链（可能有一些碳原子在某处粘在一边），有时排列成一组相互交错的环（与奥林匹克运动会的标志很像）。这些特征明显的生物碎片就像超小型的骨骼，代表了更大的功能分子集合的剩余部分，那些功能分子除了最有适应性的核心之外，都已降解和消失。
如果你能在一片古老的沉积岩中找到这样一个分子骨架，并且你能确定它不是来自附近更年轻地层的污染，也不是来自到处都有的新近死亡的细胞（例如，来自现代地下微生物，甚至是来自你拇指的死皮），那么你就可以宣布发现了一种化学化石，也就是一种曾经存在的微生物的真实原子。因此，绍普夫在阿派克斯燧石上发现的黑色斑点非常迷人。
许多现代分子古生物学家过着非常迷人的双重生活。一方面，他们可能会选择忍受野外地质学家所要面对的严酷考验，徒步穿越数英里的险峻地形，在炎热的沙漠、冰冷的冻原和高山上，从偏远裸露的地表挖掘出数百磅目标岩石。每年都有许多地质学家分队前往西澳大利亚、南非、格陵兰和加拿大中部，寻找新的标本。另一些人则在钻机上工作，希望能获得未受天气和植被污染的原始而古老的岩芯。这样的考察可能意味着要面对长达数月的艰苦和危险情境，并且忍受物资的匮乏。
这些冒险与在超净实验室里做数月乏味的分析形成鲜明的对比，在实验室里，最轻微的呼吸或指纹都会不可挽回地污染一个宝贵的30亿年前的岩石样本。从岩石中提取单个分子需要时间、耐心和谨慎，还需要大量精密的分析仪器。这项21世纪的艺术，有一位主要实践者是澳大利亚古生物学家罗杰·萨蒙斯（Roger Summons），他在麻省理工学院地球与行星科学系设立了“基地”。在那里，他领导着萨蒙斯实验室一个由十几位分子化石猎人组成的小组，研究着地球最古老的岩石。
藿烷结构
十几年前，在澳大利亚国立大学工作期间，萨蒙斯带领一组科学家登上了新闻头条，他们当时正在研究西澳大利亚27亿年前皮尔巴拉稳定地块的沉积物。萨蒙斯和同事收获了一块独特的岩芯，它将近半英里长，其中包括一段诱人的富含碳的黑色页岩，这种沉积岩最有可能保存分子化石。这些皮尔巴拉岩石格外特别，因为它们基本上没有被热量改变，也没有被地表生物或地下水污染。如果有一种岩石可以让古老的生物分子保留下来，那就是这种。
澳大利亚的研究人员把重点放在藿烷类化合物上，这是第六章中提到的一类精巧坚韧的生物分子。藿烷类化合物在加固保护性的细胞膜方面发挥着重要作用，由于藿烷在活细胞外极为少见，它可能是所有分子生物标志物中最有说服力的一类。每个藿烷都有一个独特的骨架，由五个互锁的环组成，包括四个小六边形（每个六边形有六个碳原子），和末端的一个五边形（包含五个碳原子）。每个环与邻环共享两个碳原子，也就是说，它总共有21个组成骨架的碳原子。
澳大利亚萨蒙斯实验室在仔细研究后发表了两篇备受关注的论文，论文都发表于1999年8月。第一篇论文发表在《科学》杂志上，萨蒙斯的博士生约亨·布罗克斯（Jochen Brocks）是第一作者，文中称在27亿年前的皮尔巴拉岩石中发现了一种被称为甾烷的独特分子，它是当时已知的最古老的分子化石，打破了之前10亿年历史的纪录。甾烷的发现可以揭示许多有关远古生态系统的信息，因为不同物种使用了很多不同种类的甾烷，每种甾烷在其碳环周围的不同位置还带有额外的碳原子。布罗克斯和其同事认为，皮尔巴拉甾烷代表着一种相当先进的细胞，这种细胞被称为真核细胞，包含一个容纳DNA的细胞核。在论文发表时，已知的最古老的真核生物化石细胞只有约10亿年的历史，而且人们认为早于约20亿年前的原始微生物没有细胞核，因此人们对这种解释感到惊讶，甚至完全不相信。如果这个发现是真的，那么只可能有两个结论。要么真核生物出现得比任何人想象的都要早（生命的进化也相应地被加速了），要么甾烷的进化比真核生物早得多。无论是哪种情况，我们对生命历史的理解都会被改写。
第二篇论文发表在《自然》杂志上，萨蒙斯是第一作者，论文带来了同样令人震惊的发现，在西澳大利亚3 300英尺高的麦克雷山25亿年前的黑色页岩中，含有一种藿烷五环分子的变体，在第一个环的边上还有一个额外的碳原子。这些2-甲基藿烷分子仅仅在光合蓝藻中被发现过，而蓝藻是地球上最主要的氧气制造者。萨蒙斯总结道，地球上的光合作用在25亿年前就开始了。人们当时已经知道氧气差不多就是从那时开始增加的，不过萨蒙斯的结论与其相符，表明光合作用的起源有可能通过保存下来的分子碎片进行研究，这为古生物学打开了令人振奋的新大门。
并不是所有人都被这样的结论说服。就像绍普夫之前有关“地球上最古老的化石”的主张一样，罗杰·萨蒙斯不同寻常的藿烷发现也遭到了一些反对，其中包括约亨·布罗克斯对自己博士工作的质疑，其他关于据称有20多亿年历史的生物标志物的研究也受到了质疑。持怀疑态度的人认为，年轻的藿烷到处都是。地下深处随处可见生活在岩石中的微生物，因此在超过20亿年的地球历史中，污染是不可避免的。毫无疑问，藿烷和其他生物分子一定存在，但谁知道它们是何时以及如何到达那里的。这类辩论饶有趣味，几乎总能带来新的发现，就让我们拭目以待。
时间的砂坪
古生物学家还能去哪里寻找证据呢？在与光合作用的历史有关的许多化石记录的线索中，微生物席可能既是最明显的，又是最容易被忽视的。如今，它们遍布全世界，出现于沿岸的浅海中，沿着缓慢流动的河流和溪流的岸边形成，在那些地方，藻类可以将细丝缠绕进厚厚的打结的层中。这些像衣服一样坚固的席子确保藻类能够拥有一个潮湿且阳光充足的环境，同时不会受到洪水和海浪不可避免的侵蚀作用。尽管微生物席分布广泛，但在诺拉·诺夫克（Nora Noffke）的发现之前，古生物学界几乎忽略了化石微生物席。
10多年来，我有机会帮助诺拉·诺夫克一起做研究，她是弗吉尼亚州诺福克的欧道明大学地球生物学教授，也是世界上研究古微生物席的权威。凭借敏锐的眼光、独特的视角和坚定的决心，她选择了世界上一些最险峻的地区进行野外考察。她冒险进入最偏远和环境恶劣的地方，前往南非、澳大利亚西部、纳米比亚、炎热的中东和寒冷的格陵兰，发掘出了以前从没人想到要寻找的古生物奇迹。诺拉一次又一次地发现证据，表明微生物席在地球许多最古老的沙滩上生长。
微生物席化石之所以如此重要，是因为它们一定来自某种光合作用。在黑色燧石和黑色页岩中留下碎片的微生物可能来自远离阳光的深层地带。我们有充分的理由提出，35亿年前的浅水叠层石支持依靠光合作用的生存方式，尽管这些矿化小丘可能仅仅是在海浪翻腾的恶劣环境中提供了保护性高地。但微生物席一定是进行光合作用的。如果不是因为需要阳光，为什么一群微生物会大费周章地把自己安置在一个贫瘠的浅水潮间带中？
要想了解诺拉·诺夫克的贡献，就需要认识其他一些真正古老的化石。在过去的半个世纪中，寻找地球上最古老生命的古生物学家主要研究三种岩石组。首先是黑色燧石，就像绍普夫发现的那种有争议的35亿年前的阿派克斯燧石。20世纪60年代初，黑色燧石首次成为古生物学的头条新闻，当时哈佛大学古植物学家埃尔索·巴洪（Elso Barghoorn）在明尼苏达州北部和安大略省西部19亿年前的冈弗林特燧石中发现了古微生物化石。巴洪仔细检查了细粒的富硅岩石中薄而透明的部分，发现他看到的是古微生物化石无比精致的细节。地质学家斯坦利·泰勒（Stanley Tyler）10年前在冈弗林特首次观察到了神秘的球状物体，而巴洪描述了一系列令人惊讶的清晰细胞，那是一个微观生态系统，包括球状、杆状和丝状的微生物，其中一些正在分裂过程当中。事实上，尽管几十年来一直有人声称找到了更古老的化石，但一些古生物学家仍然认为，冈弗林特燧石是地球上最明确的最古老光合细胞化石。
第二种岩石类型是富含碳的黑色页岩，也就是罗杰·萨蒙斯及其同事研究的岩石，它们或许是古分子化石的最佳来源。黑色页岩是泥浆和有机残骸在深水中的堆积物，因而我们可以确信它们埋葬了古微生物的遗骸。正因如此，从澳大利亚、南非和其他拥有几十亿年历史的地方发掘出的黑色页岩厚厚的层序，都在接受一层又一层的细致化学检查。随着更新、更灵敏的分析工具投入使用（一些工具能够探测单个分子），重要的发现必定随之而来。
第三种被深入研究的包含古化石的岩石组类型是叠层石，也就是早期生命沉积下的分层穹顶状结构的矿物。在现代有生命的浅海叠层石礁中，最著名的是西澳大利亚鲨鱼湾优美而偏远的世界遗产地，如果不是这些叠层石礁，古生物学家可能会被这些通常保存在石灰岩中的小丘的起源难住。当一个黏滑的表面覆盖着微生物，这些光合微生物制造出一层又一层矿物时，这些奇怪的沉积特征就会出现。科学家在世界各地发现了数百处叠层石化石，其中一些出自30亿年前的岩石中。
除了黑色燧石、黑色页岩和叠层石，诺拉·诺夫克在这个地球上最古老的含化石组的简短列表中，还增加了第四种岩石类型，那就是砂岩。砂岩被忽视是有原因的。大多数化石保存在细粒的岩石中，比如燧石、页岩或石灰岩礁中，因此研究主要集中在黑色燧石、黑色页岩和叠层石中。相比之下，沙土更粗糙，它的矿物颗粒比大多数微生物都要大得多。更重要的是，沙土往往集中在海滩，处于汹涌的潮汐带中，那里大多数生命迹象会很快被抹去，被侵蚀、冲走和消散。但诺夫克花了20年来研究现代潮滩，以及那里丰富的生态系统，发现坚硬的纤维状微生物席在砂质的浅水海岸线上形成了独特的结构。它们在沙土表面上留下了褶皱的纹理，就像褶皱的桌布一样。它们将沉积物颗粒捆绑在厚厚的、有弹性的大片海藻链中，改变了沙土中波纹痕迹的图案。它们被风暴撕碎，分裂成独特的几何状碎块，像波斯地毯一样卷起来。
叠层石切片。叠层石是早期生命沉积下的分层穹顶状结构的矿物，被誉为地球上最古老的生物化石。科学家在世界各地发现了数百处叠层石沉积构造，其中一些出自30亿年前的岩石中
大多数砂岩露头看起来很光滑，或者有轻微的波纹，但缺乏明显的生物特征。但在诺夫克找到办法发现古岩石中微生物席化石特有的褶皱和破裂的表面后，她几乎在任何地方都能找到这些细微的特征。1998年，在法国阿尔卑斯山脉的努瓦尔山上，她发现4.8亿年前的岩石表面具有这种特征的褶皱质地。2000年，在她前往哈佛大学做博士后工作后，她在纳米比亚5.5亿年前的岩石中发现了类似的图案，将时间进一步向前推移。微生物席在5亿年前就已经存在了，这个事实并不是特别具有新闻价值。所有古生物学家都会同意，微生物席在海岸地区的存在肯定比这更早。但在诺夫克之前，没有人花时间仔细研究现代微生物席系统，然后将类似的痕迹视为古岩石中化石明确的证据。
2001年，诺夫克在南非和澳大利亚30多亿年前的岩石组中首次发现一系列突破性的微生物席，这一时间比推定的大氧化事件要早得多。在正午的烈日下，这些特征很难被发现，但在下午晚些时候，在一天漫长且常常是徒劳的搜寻即将结束时，当阳光扫过光秃秃的岩石时，具有显著褶皱特征的砂岩表面就出现在你眼前。“这些结构似乎到处都是。”她回忆起一个激动人心的发现，是在一次艰苦的非洲野外考察的最后一天最后一个小时完成的。
2000年，在诺拉在哈佛大学的导师、古生物学家安迪·诺尔（Andy Knoll）的建议下，诺拉第一次来找我。安迪和我从20世纪70年代研究生时代起就一直是朋友。有一段时间，我们的事业把我们带向了不同的科学方向，但我们对天体生物学的共同兴趣让我们重新开始了交流。诺尔意识到，诺夫克对古微生物席的研究几乎完全基于表面特征，这虽然具有启发性，但有时仍需要猜测性的想象。一般的古生物学家缺乏诺夫克对现代微生物席的丰富经验，很容易忽略或未考虑奇怪的波纹痕迹或褶皱的岩石表面。因此，诺尔鼓励她加入矿物、生物分子和同位素的分析数据，来支持她有关生物席的观点，这些数据保存在独特的细圆齿状的层中。也许古代碳的痕迹或特征矿物的浓聚物可以为一些古老但模糊的与微生物席类似的特征提供确凿的证据。我曾和诺尔的其他学生一起工作过，所以我接到了来自诺夫克的电话。
诺夫克送来的第一批样本客观地证明了这类分析为何重要。她在30亿年前的砂质沉积物中发现了带有波纹的黑色薄层，这有可能是到当时为止发现的最古老的微生物席。她需要确认，这些黑色特征物富含碳，并具有生命所需的同位素特征。这种特征是，与普通地壳相比，较重的碳-13同位素少约3%。她已经为《科学》杂志写了一篇论文，准备提交，只需等待一个确定的数值。这些岩石样本通过联邦快递从马萨诸塞州剑桥市以最快的速度送到了地球物理实验室。我感受到了压力。
幸运的是，我的同事玛丽莲·福格尔（Marilyn Fogel）是卡内基研究所地球物理实验室碳同位素的专家，她愿意提供帮助。玛丽莲检查了样品，告诉我该怎么做。我需要把岩石碾碎，磨成细粉末，在几个纯锡箔制成的小杯中各放入几微克的粉末，称取样品重量，把每个锡箔杯折成一个弹珠大小的小球。然后，这些样品和碳同位素标准品被一个接一个地送入熔炉中，这个熔炉能将任何含碳的化合物汽化成二氧化碳气体。气体流入一个灵敏的质谱仪，仪器会分离并测量碳-12和碳-13。只用几个小时就可得出关键的比率。
诺拉希望结果在-25到-35的范围内，也就是其他微生物席的典型数值。但机器得到了一个不同的结果。同位素比率接近0，这个值与生物学特征无关。相反，它是无机碳的特征，这种碳是从地幔中以流体的形式上升，并以黑色石墨的细脉形式沉积下来的。结果就是，诺夫克的样品中的黑色特征物富含碳，但它们显然不是生物性的。
有了这次实际教训，我们迅速分析了诺拉从南非、澳大利亚和格陵兰等不同区域找到的其他许多有希望的古代沉积物中的黑色特征物薄层。我们一次次测量了碳同位素，它们与微生物席-30的范围相一致；我们还发现了其他确凿的证据，证明微生物在30多亿年前曾在古老地球的砂质海岸线上繁衍。与微小的黑色污点或微量的生物分子不同，你可以在野外看到诺夫克的证据，大小有那些露头那么大。她的证据，你可以直接拿在手里。
但一个核心问题仍然存在：这些微生物席会产生氧气吗，还是利用阳光进行更简单的光化学反应？微生物进化出各种各样的策略来利用阳光，但并不是所有策略都能产生氧气。因此，在未来一段时间里，关于这些30亿年前形成席子的生物体如何生存下来的细节仍将是一个热门课题。
矿物学的爆发
关于地球氧化的大致过程，人们已广泛接受。在25亿年前，地球大气中基本没有氧气。光合微生物的增加在大约22亿年到24亿年前形成了巨大的累积变化，当时，大气氧气浓度上升到现今浓度的1%以上。这种不可逆转的变化改变了地球近地表的环境，并为更大的转变铺平了道路。
