有史以来发现的最古老化石，揭示了35亿年前地球上的生命

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1982 年，人们在西澳大利亚的一个世界上最古老、保存最完好的岩石矿床之一——岩层 Apex Chert 中采得一个岩石样品，并且很快就发现它含有地球早期生命的证据。2017 年，UCLA（加利福尼亚大学洛杉矶分校）和 UW-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）的科学家发表的一项研究使用了复杂的化学分析，用以确认这个岩石中的微观结构确实是生物学的微观结构，这使得来自 35 亿年前的它们成为最古老的化石。

UCLA 和 UW-Madison 的研究人员已经证实，在位于西澳大利亚的一块近 35 亿年前的岩石中发现的微观化石是迄今为止发现的最古老的化石，并且也是地球上生命最早存在的直接证据。

研究发表在 12 月 18 日的“美国科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences）”上，并由 UCLA 的古生物学教授 J. William Schopf 和 Wisconsin-Madison 的地球科学教授 John W. Valley 领导。这项研究依赖于由 UW-Madison WiscSIMS 实验室研究人员开发的新技术。

这项研究描述了来自五个独立分类单元的 11 个微生物标本，将它们的形态与表征生命的化学特征联系起来。这 11 个微生物样本中的一些代表了来源于称作古生菌生命域的现在已经灭绝的细菌和微生物，而另一些则类似于今天仍然存在的微生物物种。这些发现还表明每种微生物是如何在无氧地球上生存下来的。

微化石这一称谓是因为它们不是肉眼可见的。1993 年，Schopf 和他的团队在“科学”（Science）杂志中首次描述了微化石，他们在很大程度上是根据这些化石的独特的、圆柱形和丝状的形状来鉴定它们的。2002 年，UCLA 进化与生命起源研究中心的主任 Schopf 发表了他们进行的生物鉴定的进一步的支持性证据。

1982 年，他从西澳大利亚 Apex Chert 矿床中收集到了在其中发现这些化石的岩石。西澳大利亚 Apex Chert 矿床是地球上为数不多的保留地球早期地质证据的地方之一，这在很大程度上是因为它没有受到可能会改变它的地质作用，比如由于板块构造活动而造成的埋藏和极热。

但是 Schopf 的早先解释富有争议。评论者认为这些化石只是奇怪的矿物，仅仅看起来像生物标本而已。然而 Valley 说，新的发现让这些疑虑消散；这些微化石确实是生物化石。

他说：“我认为已经尘埃落定。”

Valley 及其包括地球科学家 Kouki Kitajima 和 Michael Spicuzza 的团队在 UW-Madison 使用名为 IMS 1280 的全世界仅有的少量这种仪器之一 —— 二次离子质谱仪（SIMS）—— 将组成每个化石的碳分离成其构成性同位素，并衡量它们的比例。

同位素是相同化学元素的不同版本，其质量各不相同。不同的有机物质—无论是岩石、微生物还是动物—都含有它们的稳定碳同位素的特征性比例。

Valley 的团队使用 SIMS 能够在每个化石中将碳-13 与碳-12 分开，并测量两者的比例，与已知的碳同位素标准和发现它们的岩石的无化石部分进行比较。

Valley 说：“碳同位素比例的差异与这些化石的形状有关”。“如果它们不是生物化石，就没有理由有这样的相关性。它们的 C-13 与 C-12 的比例是生物学和代谢功能的特征”。

Valley 说，根据这些信息，研究人员还能够为锁在岩石中的这些化石指定身份和可能的生理行为。Schopf 说，结果表明，“这些是一个原始的、但不同的生物群体”。

该团队鉴定出一组复杂的微生物：可能曾依赖太阳产生能量的光养细菌、产生甲烷的古细菌、以及消耗甲烷的γ-变形菌，甲烷这种气体被认为是地球早期大气中在氧气出现之前的重要组成部分。

Valley 的团队花费了将近 10 年的时间来开发这个方法以准确地分析这些微化石，之前还从未使用 SIMS 分析过如此古老而稀有化石。此项研究建立在 WiscSIMS 的早期成果上，这些早期成果是改造 SIMS 仪器以制定用于样品制备和分析的方案，并对必要的标准进行校准以尽可能接近地匹配感兴趣样品中的烃类含量。

图 | 2010 年 UW-Madison 地球科学研究人员对此地进行实地考察

该团队在准备进行 SIMS 分析时需要尽可能慢地磨削原始样本，以便使娇弱的化石本身暴露而不会实际破坏它们。这些化石都处在岩石中的不同层面并被包裹在坚硬的石英层中。Spicuzza 形容说，我在院系的楼梯跑上跑下无数次，因为地球科学技术员 Brian Hess 研磨并抛光样品中的每个微化石每次只能进展一微米。

每个微化石约 10 微米宽，其中八个可以跟人的头发的宽度相称。

Schopf 说，像这样的研究表明，宇宙中的生命可能是普遍的。Schopf 说，但重要的是，由于 35 亿年前在地球上已经有若干种不同类型的微生物出现，这就告诉我们“生命早就开始了，没人知道多早开始的，但原始生命形成并演变成更先进的微生物并不困难”。

Valley 和他的团队在 2001 年的早期研究表明，早在 43 亿年前地球上就有液态水存在，比本研究中的化石曾存活的时间早 8 亿多年，并且在地球形成仅 2.5 年后。

Valley 说：“我们没有直接的证据表明 43 亿年前存在生命，但没有理由说怎么就不会存在。”

“这是我们都希望找到的东西。”

UW-Madison 所拥有的这笔祖上馈赠推迟了地球上早期存在生命的公认日期。1953 年，1963 年去世享年 57 岁的已故大学地质学家 Stanley Tyler 是第一个在前寒武纪岩石中发现微化石的人。这将生命起源提前了 10 亿多年，从 5 亿 4 千万年前推到 18 亿年前。

“人们对于地球上何时出现生命真的很感兴趣”，Valley 说，“这项研究比我想象耗时多 10 倍多，也比我想象要困难得多，但是最终开花结果，因为许多敬业的人从第一天起就对此感到兴奋……我认为将会对地球的和可能来自其他行星体的样本进行更多微化石分析。”