锆石中封存微小碳粒 或将地球生命史提早3亿年

　　　西澳大利亚的杰克山拥有罕见的地球早期历史遗迹——在40亿年之前形成的微小锆石晶体。现在，科学家表示，这些晶体可能包含着有关生命历史的重要线索。

　　地球上的生命始于何时？科学家们通过地质记录不断钻研，他们钻得越深，便越觉得生命就出现在我们行星45亿年历史的早期。而迄今为止，地质学家发现的最早的生命痕迹形成于38亿年前。现在，一项颇有争议的新研究所提出的证据可能会把生命出现时间提早3亿年，那时地球才刚刚形成。

　　线索就藏在一大块锆石晶体中的微小石墨（一种碳质矿物）斑点中。锆石形成于岩浆中，并常常将其他矿物包入它们的硅—氧—锆晶体结构中。虽然锆石的尺寸要比头发的直径还小，但它们却几乎是坚不可摧的。锆石可以比它们最初构成的岩石保存得更久，经受更多次的侵蚀和沉积循环。

　　事实上，尽管地球上最古老的岩石只能追溯到40亿年前，但是研究人员已经发现了有44亿年历史的锆石。这些晶体让我们得以一窥地球历史的最初篇章，也就是冥古宙。“想要研究40亿年前地球发生了什么，锆石几乎就是我们唯一的实体样品。”加州大学洛杉矶分校（UCLA）的地球化学家Elizabeth Bell说，她是这项在线发表在《美国科学院院报》（ Proceedings of the National Academy of Sciences）上的新研究的第一作者。

　　在这项研究中，Bell和她的同事检验了来自西澳大利亚杰克山的锆石样本，杰克山是地球上产出冥古宙样品最多的地点，研究人员在锆石中寻找金刚石、石墨等碳质矿物。仅凭矿物的存在并不能证明锆石形成时有生物存在，但是碳质矿物确实提供了寻找生命化学信号的机会。研究团最终在41亿年前形成的锆石中发现了一小片疑似未被干扰的石墨。石墨中较重的碳原子与较轻的碳原子，即碳的两种同位素之间的比例很低，这与有机物的同位素特征一致。“在现在的地球上，如果你看到了这样的碳，你会说这是由生物形成的，”Bell说，“当然，对于冥古宙来说，这还存在争议。”

　　研究者们罗列了一些可以解释他们发现的非生物过程，但是他们还是最倾向这样一个观点：石墨是沉积物中的有机物在板块碰撞时沉入地幔而形成的，当沉积物熔化形成岩浆时，在高温高压条件下，碳转换成了石墨，从而最终进入了锆石晶体中。

　　如果这个故事是真的，那么生命至少在41亿年前就已有存在，Bell表示新的结果可以证明早期地球环境比科学家曾想象的更为宜居。“在传统的观点中，地球形成后最初的几亿年里，地球是一个贫瘠炙热、没有生物存在的行星，还在不断遭受着陨石的撞击。”她说。但科学家开始意识到早期的地球有着对生命更为温和、更为适宜的环境，这一定程度上还要感谢近些年杰克山锆石所揭示的宝贵信息。

　　“我们知道那时有液态水，”巴黎地球物理研究所的地质微生物学家Mark van Zuilen说，“没什么能阻碍我们假设那时有生命。”但是，van Zuilen和其他人表示他们并不确定这项新研究提供的证据是否足够令人信服。

　　这种慎重在某些程度上来源于近些年的研究历史。在2008年，研究人员声明43亿年的锆石中的金刚石—石墨包含物可能具有生命特征，正是这项发现激励了Bell和她的团队，他们开始重新检测UCLA在杰克山收集的晶体样品。但是随后的分析表明，2008年的包含物源自实验室污染，并非早期地球。在这项新研究中，研究人员采取了避免类似问题的措施。

　　“一次失败的经历并不意味着没有人应该再次尝试，”加州理工学院的地质学家John Eiler说。“但是说实话，我还是保持谨慎态度。”一方面，他表示研究人员还需要处理一些重要的争论，比如冥古宙锆石中的包含物是否真正保存了原始材料，它们是否在后期的变质作用等过程中发生了变化；另外，他还对形成机制提出了质疑，他甚至怀疑有机物是否能在岩浆房中保存足够长的时间以形成石墨。

　　姑且抛开这些问题，包括作者在内的大多数科学家都同意目前数据还不能排除非生物的解释。许多非生物过程也可以产生同位素特征与有机物类似的碳。例如，石墨中可能包含了某种陨石中的碳，而这种陨石有较轻的同位素组成。另外，一些化学过程，比如在费歇尔—托罗普希合成反应（Fischer-Tropsch reactions）中，碳、氧和氢在铁等物质的催化下发生发应，也可以形成甲烷和其他烃类。这类反应可能会在冥古宙的热液喷口附近发生，van Zuilen说，这会形成无法跟生物材料区分开的同位素特征。

　　一种不依赖于同位素的解决方案涉及到火星研究，火星和地球不同，在其地表仍存在早于40亿年的岩石。“如果我们可以发现火星在那时存在生命的证据，再去论证地球上当时也存在生命就容易多了。”科廷大学的地球化学家Alexander Nemchin说，他是2008年金刚石包含物研究的第一作者。

　　目前，科学家们必须设法处理保存冥古宙神秘记录的唯一材料——锆石。Bell承认他们需要用额外的样品来验证假设，她表示研究人员必须齐心协力在杰克山锆石中发现更多冥古宙的碳，然后观测它们是否也具备可能的生物来源。“希望我们不是偶然发现了一个包含石墨的奇怪锆石，”她说，“我们希望事实上存在着大量这样的锆石。”

　　稿件来源：环球科学（《科学美国人》中文版）

　　撰文：Julia Rosen

　　翻译：张旭阳