古生物留下的跡象？巖石中那些紅色的突起，可能是37億年前形成的疊層石化石。這些分層結(jié)構(gòu)可能是由最原始的微生物制造出來的。Nature
我們不知道宇宙中有多少生命形式，不知道它們是否真的存在，甚至于不知道生命在地球上究竟因何而出現(xiàn)。不過至少有一點有跡可循：生命在地球上出現(xiàn)的時間。
通過探尋生命在地球上的起源時間，我們可以獲知生命誕生所需的條件，可以預(yù)測外星生命可能會在哪些地方出現(xiàn)。更深層的意義在于，我們可以由此獲得一條線索，來判斷生命起源的內(nèi)在可能性——它究竟是一種運氣，還是一種必然？假如微生物經(jīng)歷了上億年的試錯之后，才在淤泥中現(xiàn)身，那么生命誕生之艱難決定了它在宇宙中是罕見的；假如生命在地球變得宜居后不久就迅速出現(xiàn)，那么生命誕生的必然性就相當(dāng)高，生命在宇宙中可能隨處可見。
天體生物學(xué)的研究通常要受古生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)和生物學(xué)的指導(dǎo)。和地球生命起源有關(guān)的發(fā)現(xiàn)，會直接影響到這方面的研究進程。兩個和時間有關(guān)的數(shù)據(jù)對天體生物學(xué)的研究十分重要：地球獲得生命支撐能力的最早時間，以及最古老的化石或生物體殘骸產(chǎn)生的年代。隕石來自45億年前，它們的年齡和太陽系以及地球的年齡有密切關(guān)聯(lián)。地球上現(xiàn)存最古老的礦物出產(chǎn)在澳大利亞西部，它們是一種名為鋯石的晶體，形成于大約44億年前。地球上最古老的生物結(jié)構(gòu)名叫疊層石，是由淺水中的藍菌一層層堆積起來的。年代測定結(jié)果表明，這些同樣來自澳大利亞西部的藻類化石形成于35億年前，而格陵蘭島的疊層石樣本形成時間更是早在37億年前。藍菌已經(jīng)是比較復(fù)雜的生命形式，因此生命必然誕生在此之前更為久遠的年代。巖石中的同位素生物印記表明它們至少誕生在38億年前。
上世紀(jì)70年代早期，在阿波羅的最后一次登月中，宇航員收集了幾袋子的月球環(huán)形山巖石樣本。在這些樣本中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了氬的存在。氬對于這些巖石來說是外來的；它是在巖石凝固時，被鎖死在晶體結(jié)構(gòu)中的放射性鉀同位素衰變產(chǎn)生的副產(chǎn)品。衰變的速度是已知的，所以只要知道了巖石中氬和鉀同位素的比例，就能推算出巖石的年齡。
令人吃驚的是，這些巖石中的大部分形成于41億至39億年前。這表明大量的月球環(huán)形山，包括一些最大的，幾乎都是在同一時期形成的?？茖W(xué)家由此推測，在太陽系早期歷史上的某個階段，月球曾經(jīng)遭受過密集的小行星轟炸。假如月球遭受過，那么地球也應(yīng)該遭受過。
新的分析結(jié)果顯示，密集的隕石轟炸事件可能根本沒有發(fā)生過。
如果地球也遭受過同樣的轟炸，那么它所遇到的情況會更糟。它的體積更大，引力更強。這一災(zāi)難性事件就是所謂的“晚期大轟炸”——之所以叫它“晚期”，是因為它發(fā)生在地球成形后，按理說，此時這樣密集的隕石轟炸事件應(yīng)該早已平息。但據(jù)估計，在那時，至少每一千年就會發(fā)生一次足以導(dǎo)致恐龍滅絕的隕石撞擊事件。這樣大規(guī)模的撞擊足以把大部分地球表面變成一片熾熱的巖漿海，足以把原本已經(jīng)蓄積起來的水蒸發(fā)殆盡。沒有一種生命形式能夠在這個時期幸存下來。撞擊事件如果確實存在，那么它就會收窄生命在地球上出現(xiàn)的時間窗口：它們在地球上站穩(wěn)腳跟的時間不會早于39億年前。但是同位素分析和化石記錄卻表明，它們在38億年前就已經(jīng)非?；钴S。以地質(zhì)學(xué)的時間尺度來看，生命幾乎是即刻起源的。
收集樣本。阿波羅17號宇航員Harrison Schmitt正在收集月巖樣本，它們后來被帶回地球進行了年代和成份測定。NASA
但是許多科學(xué)家對此心存疑慮。宇航員采集的月巖標(biāo)本只來自月球表面的一小塊地區(qū)。雖然它們的采集點并不是同一個，但卻很有可能來自同一次大型撞擊事件，這樣它們的年齡也是相同的。不過21世紀(jì)初，行星科學(xué)家開始意識到，太陽系的行星可能并不是在它們今天所在的位置上形成的，而是通過軌道轉(zhuǎn)移，遷徙至此的。十年前，法國尼斯的一個科研小組建立了一個頗有影響力模型，能夠重現(xiàn)太陽系行星到達今天所在位置的過程。在此過程中，大行星會把大量小行星帶入內(nèi)太陽系，制造出密集的隕石轟炸事件。連許多持異見者都被這個優(yōu)雅而精細的模型說服了，“晚期大轟炸”也由此進入了教科書。
今年九月，洛杉磯加州大學(xué)的兩位科學(xué)家Patrick Boehnke和T. Mark Harrison發(fā)表了一篇論文，幾乎要毀掉“晚期大轟炸”的理論基礎(chǔ)：阿波羅月巖樣本的年齡。他們認為，用以測定樣本年齡的氬對溫度十分敏感。稍有升溫，它們就會從月巖中釋出，進而影響月巖氬的含量。這樣的溫度改變能夠由發(fā)生在撞擊點附近的新隕石撞擊事件帶來，它們本身可能不足以融化這些巖石。但這樣的事件多次發(fā)生后，月巖中氬的總體含量會發(fā)生明顯的變化，最終導(dǎo)致樣本表現(xiàn)得比實際年輕。也就是說，阿波羅月巖樣本中的氬鉀比例并不能說明發(fā)生過密集的隕石轟炸事件。
這兩位科學(xué)家用計算機模擬了多種可能性，以確定月巖中氬的含量是否真的和“晚期大轟炸”有關(guān)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，緩慢而平順下降的隕石轟炸率也能對此加以解釋。簡而言之，他們發(fā)現(xiàn)，人們在對阿波羅月巖年齡的估計中，過多地考慮了隕石轟炸這個因素。由于這是“晚期大轟炸”假說的理論基礎(chǔ)，所以他們認為，這次密集的隕石轟炸事件可能根本沒有發(fā)生過。
一些學(xué)者把目光轉(zhuǎn)向了小行星帶，因為小行星既是“晚期大轟炸”的加害者，也是它的受害者。結(jié)果獲得的證據(jù)是模棱兩可的。灶神星（Vesta）是小行星帶的第二大小行星，也是唯一一顆和某些落到地球的隕石有確鑿關(guān)聯(lián)的小行星。亞利桑那州立大學(xué)的Julia A. Cartwright等人在分析了那些據(jù)信是來自灶神星的隕石后發(fā)現(xiàn)，隕石中的一種成份曾經(jīng)被融化過，似乎表明太陽系發(fā)展史上的確出現(xiàn)過一次密集的撞擊事件。但這次事件的發(fā)生時間是在34億至37億年前。
一個宜居地球的誕生時間，可能要比我們之前所認為的要早得多。
然而當(dāng)瑞典隆德大學(xué)的Simona Pirani和意大利國家天體物理研究所的Diego Turrini，分析了“黎明號”探測器2011至2012年間造訪灶神星時獲得的影像數(shù)據(jù)后卻發(fā)現(xiàn)，灶神星身上能夠證明發(fā)生過密集轟炸事件的跡象很少。在它身上的環(huán)形山中，很少有產(chǎn)生自那個時期的；它們中的大部分形成時間要近得多。灶神星沒有大氣和海洋，也沒有板塊活動，這些撞擊的痕跡不可能被抹去。事實上，大轟炸如果真的發(fā)生過，那么它的猛烈程度足以把灶神星甩出小行星帶。因此，這個小行星的存在本身就能夠說明沒有發(fā)生過這樣一次災(zāi)難性事件。
疊層石。這些大塊頭是一種由藍菌產(chǎn)生的石灰?guī)r沉積物。Doug Perrine
與此同時，許多地質(zhì)學(xué)家和微生物學(xué)家開始質(zhì)疑“晚期大轟炸”。即便它發(fā)生過，是否真有那么糟糕？東京理工學(xué)院的Yuhito Shibaike和Shigeru Ida，以及京都大學(xué)的Takanori Sasaki認為，“晚期大轟炸”僅能融化大約70%的地球表面。70%已經(jīng)相當(dāng)多了，但生命仍然能夠找到庇護所。斯坦福大學(xué)的Norman Sleep等人認為，如果生命起源于海底并那里擴散，那么對它們而言，最大的危脅是海水的蒸發(fā)。然而“晚期大轟炸”似乎缺乏能夠讓這么多海水全部沸騰的能量，因此地球上的生命可能并沒有在那時被清理干凈。
更多的啟示來自古老的鋯石晶體。鋯石需要液態(tài)水才能生成，因此它們也表明，隕石轟炸并沒有把地球表面全部融化，也沒有將地球表面的所有水蒸發(fā)。
假如Boehnke和Harrison所言不虛，那么我們又該如何理解生命在地球上的發(fā)展史呢？
假如早期地球并沒有經(jīng)歷“晚期大轟炸”，隕石轟炸頻率只是緩慢地逐漸下降，那么地球上一個對生命友好的環(huán)境產(chǎn)生時間，可能要比我們之前認為的早得多，這樣的環(huán)境在44億年前可能就已經(jīng)有了。但是假如38億年前生命才在地球上出現(xiàn)，那么就意味著生命的起源至少用去了幾億年時間，也就是說生命的稀有性要遠超我們的想像。
但是也有證據(jù)表明，生命要比地質(zhì)學(xué)家和生物學(xué)家先前認為的更加古老。Boehnke和Harrison等人在另外一個研究項目中發(fā)現(xiàn)，鋯石中存在著可以追溯到41億年前的生命跡象。如果是這樣，那么就意味著在地質(zhì)年代的尺度上，生命幾乎是即刻出現(xiàn)的。大自然不會把一切都安排妥當(dāng)，所以只要擁有合適的環(huán)境，生命的產(chǎn)生和擴散并不困難，甚至于是一種常見現(xiàn)象。
這些發(fā)現(xiàn)為天體生物學(xué)引入了新的不確定性。幾十年來，“晚期大轟炸”對我們而言都是一個重要的標(biāo)桿，它能夠讓我們了解太陽系的演化，了解太陽系是如何從原始的渾沌一步步變得有序的。 假如“晚期大轟炸”不存在，那么太陽系演化模型就需要修正了。
與此同時，假如生命形式能夠在合適的環(huán)境中快速產(chǎn)生，那么每一個位于宜居帶的行星或衛(wèi)星上都有可能產(chǎn)生生命。銀河系平均每個恒星擁有一個行星，因此對于尋找地外生命而言，天空中幾乎所有恒星都可以成為我們的搜尋目標(biāo)。假如生命的起源是一種稀有事件，那么我們就必須把望遠鏡指向那些年老的恒星，在那里，生命才有充足的時間得以產(chǎn)生。
原文：Kimberly M.S. Cartier、Jason T. Wright
編譯：老孫
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