鑽石舞台

古老岩石中的神秘細絲結構

地球上的生命是何時何地開始的？這是一個我們尚不知曉確切答案的問題，但科學家們已經知道的是，海底的一些熱液系統為地球生命提供了最早的宜居條件。

加拿大魁北克省的努夫亞吉圖克地錶帶（Nuvvuagittuq Supracrustal Belt，NSB）曾是一塊海床，那裡有着地球上已知的最古老沉積岩。NSB所包含的那些古老岩石，就是由被岩漿加熱的富含鐵的水通過海底熱液系統附近的海底裂縫而形成的含鐵沉積岩。

鮮紅色的赤鐵礦燧石（一種富鐵和硅的岩石），含有管狀和絲狀的微體化石。它與右上方的代表着海底熱液噴口的沉澱物的深綠色火山岩相接，被共同稱為jasper（碧玉）。（圖／Dominic Papineau）

2008年，地質學家Dominic Papineau從NSB收集到了這樣的岩石，並對其展開了分析檢測。在一篇於2017年發表在《自然》雜誌的論文中，Papineau與他的同事報告了他們在這些岩石中發現了一些微米級的細絲、塊狀和管狀結構，並推測這些結構似乎是由細菌形成的。

然而，這種結論隨即引發了爭論，並不是所有科學家都接受這種對NSB岩石中的細小結構的生物學解釋。主要原因在於，如果這些結構是由細菌引起的，那麼這些化石微生物至少有37.7億年，甚至可能有42.8億年的歷史，這比我們通常認為的最早的古生命跡象還早了約3億年。

現在，Papineau與同事在《科學進展》雜誌上發表了一項最新的研究，他們通過對一塊來自NSB的拳頭大小的岩石進行更進一步的分析，發現在37.5億至42.8億年前，地球上就已經生存着許多不同類型的細菌。

微結構有着生物學起源

在新的研究中，通過採用各種顯微鏡對樣本進行分析，研究人員發現了岩石中的一個更大、更複雜的結構——那是一個長達約1厘米，且有着平行管狀分支的主幹結構，在那些管狀和細絲結構的周圍，還伴有上百個不規則的橢球體。

由赤鐵礦構成的厘米大小的梳狀平行細絲，它們是地球上最古老的微體化石，曾生活在海底熱液噴口附近，能夠代謝鐵、硫和二氧化碳。（圖／Dominic Papineau）

研究人員認為，這些微觀結構極有可能是一些有着生物學起源的微體化石。他們表示，雖然這些結構也仍有可能通過偶然的化學反應形成，但目前並沒有發現在什麼情況下能僅憑化學反應就能創造出這樣的結構。

在實驗過程中，為了仔細觀察包裹在石英內的由赤鐵礦組成的微小化石狀結構，研究人員利用鑲有金剛石的鋸子將岩石切割成厚度如紙張一般（100微米）的薄片，這樣的厚度比之前研究中所切割的薄片要厚上兩倍多，因此能夠讓研究人員看到其中的更大的赤鐵礦結構。

通過將這些微體化石的結構和組成與現如今位於海底熱液噴口附近的更年輕的化石以及鐵氧化細菌進行比較，他們發現這些微結構與一些更年輕的微體化石有相似之處。例如在夏威夷附近的Loihi海底火山，以及北冰洋和印度洋的其他火山口系統附近，他們找到了與扭曲的細絲、平行的分支結構和不規則的橢球體對應的現代版本。

此外，他們還找到了細菌如何以不同方式獲取能量的證據。在這些岩石中，他們發現了一些被礦化的化學反應副產物，這與古老的以鐵、硫、可能還有二氧化碳和光為生的微生物一致，這些微生物通過一種不涉及氧氣的光合作用的形式生存。

除了使用各種先進的顯微鏡技術進行觀測分析，他們還使用一台超級計算機對岩石的各個部分進行了數字重建，創建出了許多3D模型。通過這些3D模型，研究人員確認了赤鐵礦細絲是呈波浪狀和扭曲狀的，並含有有機碳，這些都是與現代噬鐵微生物共有的特徵。

基於這些結果，研究人員得出結論認為，這種赤鐵礦結構不可能是通過數十億年的岩石擠壓和加熱（變質作用）形成的。與經歷了更多變質作用的較粗石英相比，它們在受變質作用影響較小的細石英中的結構似乎保存得更好。

通過觀察這些充滿了化石的岩石中的稀土元素水平，研究人員發現它們與其他古老岩石標本中的稀土元素水平相當。這證實了海底沉積物與周圍的火山岩一樣古老，而不像一些科學家所認為的是更年輕的滲透物。

挑戰生命起源的傳統認知

這項研究對於我們理解自然發生、進化生物學和外太空生物學都具有重要意義。在這項研究之前，最古老的化石是在澳大利亞西部發現的，有着34.6億年的歷史，儘管一些科學家也質疑它們的化石本質，認為它們的起源與生物並沒有關係。

現在，研究人員通過收集到的許多不同證據，推斷出這些微生物的年齡在37.5億至42.8億年之間。這樣的結果挑戰了人們對於地球生命起源時間的傳統認知，它意味着生命可能在地球形成僅3億年之後就開始了。