在33億年前的巖石中，發(fā)現(xiàn)古老生命的化學(xué)證據(jù)

當(dāng)古生物學(xué)家還在巖石中尋找完整的化石形態(tài)時(shí)，一種新的方法已經(jīng)讓我們能“聽見”那些被時(shí)間碾碎的回聲。最新研究顯示，借助人工智能，人類首次從 33 億年前的巖石中，讀出了生命在分子層面留下的“殘影”，并將產(chǎn)氧光合作用的證據(jù)推回到 25 億年前之前——比我們此前掌握的化學(xué)記錄早了整整 8 億年。

這意味著，即便所有細(xì)胞結(jié)構(gòu)都已消失，生命仍會在物質(zhì)世界中留下可被識別的模式。

這正是《太陽、地球、生命的起源》所試圖回答的那個(gè)根本問題：

為什么是地球，而不是別的行星，孕育出了生命？

從年輕太陽的誕生，到地球宜居性的形成；從無生命的化學(xué)反應(yīng)，到最早的生命形式，再到光合作用改變行星命運(yùn)的那一刻——這本書以天體生物學(xué)的視角，沿著 40 多億年的時(shí)間軸，重構(gòu)生命如何一步步在宇宙中“站穩(wěn)腳跟”。

而當(dāng)生命邁過最初的門檻，真正改變演化走向的，是能量的獲取與利用。《復(fù)雜生命的起源》將目光投向另一個(gè)長期被忽視的核心問題：

為什么復(fù)雜生命只出現(xiàn)過一次？

在生命誕生后的漫長 20 億年里，世界幾乎只屬于細(xì)菌。直到一次極其罕見的內(nèi)共生事件，突破了生物能量的根本限制，復(fù)雜細(xì)胞才得以出現(xiàn)，并最終演化出我們所熟悉的一切多樣生命。

從 AI 在古老巖石中辨認(rèn)生命“碎屑”，到科學(xué)家在能量代謝中尋找演化的必然性：

生命不僅是一次偶然的奇跡，也是宇宙條件、地球歷史與物理化學(xué)規(guī)律交織出的結(jié)果。

以下文章來自「原理」：

長期以來，為了尋找地球上最古老的生命跡象，古生物學(xué)家會將目光投向?qū)つ切┍４嫱旰玫幕C據(jù)，包括單細(xì)胞和絲狀體的微化石，以及微生物墊和丘狀疊層石等細(xì)胞結(jié)構(gòu)的礦化遺跡。然而，這類來自地球“青春時(shí)期”的化石極其罕見。因此，尋找古老生命跡象的另一條線索，就是那些保存在古老巖石中的可作為生命標(biāo)志的生物分子。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》上的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種人工智能（AI），它只需根據(jù)數(shù)十億年前的生物分子在降解后留下的化學(xué)物質(zhì)的分布模式，就能在來源不明的古老巖石中識別出古生命的跡象。

依靠這種方法，研究團(tuán)隊(duì)分析了406份樣本，其中包括古沉積物、化石、現(xiàn)代動植物，甚至隕石。最終，他們在距今33億年的巖石中發(fā)現(xiàn)了地球早期生命的新化學(xué)證據(jù)，并找到了分子層面的線索證明——產(chǎn)氧光合作用早在至少25億年前就已經(jīng)存在，比此前保存在碳分子中的光合作用化學(xué)記錄早了至少8億年。

殘存的生命證據(jù)

在過去的研究中，科學(xué)家已經(jīng)在距今約17億年的沉積物中，發(fā)現(xiàn)了生命中一些最為“堅(jiān)韌”的有機(jī)分子——例如源自細(xì)胞膜或某些代謝過程的分子；而一些保存在更古老的富碳巖石的同位素特征，則預(yù)示著在距今35億年前，就已存在一個(gè)充滿活力的生物圈。

然而，大多數(shù)古老巖石既沒有保存任何化石細(xì)胞，也沒能保留任何幸存的生物分子。絕大多數(shù)古老的含碳沉積物都經(jīng)歷了加熱和改造，使得所有可作為生命標(biāo)志的生物分子被分解成無數(shù)微小的“碎屑”。而一直以來，這些“碎屑”都被認(rèn)為過于細(xì)小且缺乏特異性，無法提供有關(guān)遠(yuǎn)古生命的任何線索。

來自早期地球的富含碳的樣本。（圖/Michael Wong）

因此，在這項(xiàng)新的研究中，研究人員決定不再一味追尋那些完整、無可爭辯的生物分子“鐵證”，而是開始思考：能否在這些化合物分解后留下的分子“碎屑”中，識別出足以說明問題的特征模式。

為此，研究團(tuán)隊(duì)收集并測量了406個(gè)樣本，這些樣本來源于七大類：

• 現(xiàn)代動物：包括脊椎動物（如魚類）和無脊椎動物（如昆蟲）。

• 現(xiàn)代植物：包括具有光合作用的部位（如葉片）以及不進(jìn)行光合作用的部位（如根和汁液）。

• 真菌：包括蘑菇和酵母等。

• 化石材料：如煤、古代木材以及富含藻類化石的頁巖。

• 隕石：富含碳的太空巖石，可能類似于生命起源前的有機(jī)物質(zhì)。

• 合成有機(jī)材料：在實(shí)驗(yàn)室中制備，用以模擬早期地球的化學(xué)環(huán)境。

• 古沉積物：年代從數(shù)億年至30多億年不等，其具體來源尚不明確。

研究團(tuán)隊(duì)利用一種名為裂解氣相色譜-質(zhì)譜儀的裝置對這些樣本一一進(jìn)行了分析。這一裝置能將樣品加熱到600℃以上，使其分解成易揮發(fā)的碎片。隨后，這些碎片會根據(jù)其物理和化學(xué)性質(zhì)被分離、識別，并根據(jù)濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。最終，每個(gè)樣本都被轉(zhuǎn)化成一幅數(shù)據(jù)“景觀”，其中包含多達(dá)數(shù)十萬個(gè)獨(dú)立的峰值，每一個(gè)峰都代表一種可能的分子碎片。

一種開創(chuàng)性的模型

隨后，他們使用一種名為“隨機(jī)森林”的機(jī)器學(xué)習(xí)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并提取其中的潛在生態(tài)學(xué)和分類學(xué)模式。這個(gè)過程可以被想象成將成千上萬塊拼圖碎片展示給一臺電腦，然后問：原來的圖案是一朵花，還是一塊隕石？

在這一過程中，研究人員使用75%的樣本來對AI模型進(jìn)行訓(xùn)練，再把剩余樣本留給模型做獨(dú)立判斷。

他們首先測試了模型區(qū)分生物樣本與非生物樣本（如隕石或合成有機(jī)物）的能力。在已知來源的樣本上，該模型的區(qū)分準(zhǔn)確率高達(dá)90%。而且模型還在距今33億年的巖石中，識別出了生物特有的化學(xué)模式——這一幾乎是此前在古巖石中發(fā)現(xiàn)的最早生物分子特征年齡的兩倍。

這片巖石薄片中的黑色結(jié)構(gòu)是距今25億年的微生物構(gòu)造。研究表明，保存在這一復(fù)雜微生物群落中的有機(jī)物，可能由光合作用微生物所產(chǎn)生。（圖/Andrea Corpolongo）

與此同時(shí)，模型還以93%的準(zhǔn)確率，識別出曾利用光合作用從陽光中獲取能量的生物。這一方法在距今約25.2億年的巖石中識別出了光合作用的分子特征，將最早光合作用生命的生物分子特征向前推進(jìn)了大約8億年。

此外，這一模型還能夠以95%的準(zhǔn)確率區(qū)分了植物性生命與動物性生命。不過，由于在這個(gè)模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中，相對缺乏動物的化石樣本，因此在進(jìn)行這類分類時(shí)要困難得多。這也是未來研究中有待改進(jìn)的一個(gè)方向。

穿透時(shí)間迷霧的視線

這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)論是：并不是所有的生命特征都那么容易被看出來，巖石年代越久遠(yuǎn)，生命信號就越難被探測到。

具體來說，年齡在5億年以內(nèi)的年輕巖石樣仍保留著強(qiáng)烈的生物信號；對于年齡在5億年至25億年的巖石來說，AI大約在三分之二的情況下能識別出生命特征；但在年齡超過25億年的巖石中，僅有47%的樣本保留了可檢測到的生命證據(jù)。

而且，對于每一個(gè)樣本，模型不僅給出“生命”或“非生命”的判斷，還會給出一個(gè)概率評分。如果某個(gè)樣本在“生物來源”這一項(xiàng)上的概率高于60%，就被視為“強(qiáng)有力的信號”。

不過，這種置信度還達(dá)不到理想中的水平，只有當(dāng)樣本在統(tǒng)計(jì)上明顯區(qū)別于非生物材料時(shí)，才會將其判定為生物來源。但研究人員表示，這一不足將隨著研究人員用更多樣本來充實(shí)AI的訓(xùn)練數(shù)據(jù)而得到改善。

對科學(xué)研究和太空探索的意義

這些結(jié)果表明，將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于高度降解的有機(jī)物，可以幫助解決關(guān)于地球“深時(shí)”生命演化的一些長期爭論。并且這種方法有望在尋找地外生命的過程中同樣發(fā)揮作用。

如果AI能夠在歷經(jīng)數(shù)十億年的地球巖石中識別出生物“指紋”，那么同樣的技術(shù)也可能適用于火星巖石，甚至來自木星冰封衛(wèi)星——木衛(wèi)二——的樣本。研究人員正迫不及待地希望能在地外樣本上測試這一系統(tǒng)。

不過，研究人員也表示，還需要更大、更加均衡的樣本數(shù)據(jù)，特別是更多動物化石以及更多樣化的非生物材料。接下來，他們計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化模型，探索不同類型的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，并在地球上類似火星環(huán)境的沙漠巖石中測試這一思路。

#參考來源：

https://carnegiescience.edu/chemical-evidence-ancient-life-detected-33-billion-year-old-rocks

https://www.science.org/content/article/ai-spots-ghost-signatures-ancient-life-earth

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2514534122

https://www.eurekalert.org/news-releases/1105980

#圖片來源：

封面圖&首圖：Andrew Czaja

太陽、地球、生命的起源

［法］米里埃爾·加爾戈、埃爾韋·馬丁、普里菲卡西翁·洛佩-加西亞 等/ 著

冷偉、梁鵬、林巍 等 / 譯

后浪科學(xué)，2025.2

本書改編自特刊書《從太陽到生命：地球生命起源編年史》，由二十多位國際專家合著，國內(nèi)權(quán)威學(xué)者團(tuán)隊(duì)合譯，是目前國內(nèi)外天體生物學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典之作。作者以追溯地球生命的起源為主線，將各學(xué)科領(lǐng)域近年來相關(guān)的研究成果整合在一起，從天體生物學(xué)視角重新審視了早期生命的起源這一古老的話題，按時(shí)間順序講述了使得地球孕育出生命的14個(gè)重大事件：太陽誕生、地球形成、晚期重轟擊、最早生命形式的出現(xiàn)……閱讀本書，讀者將依次化身為天文學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、化學(xué)家、生物化學(xué)家、生物學(xué)家，重構(gòu)從45.7億年前太陽系形成之初至5.4億年前的寒武紀(jì)大爆發(fā)這段時(shí)期的地球起源和地球生命誕生的故事。

復(fù)雜生命的起源

[英] 尼克·萊恩/ 著 ， 嚴(yán)曦 / 譯

后浪科學(xué)，2020.11

地球生命在地球形成約5億年后就已出現(xiàn)，然而在這之后的20億年內(nèi)，生命一直停滯在簡單的細(xì)菌水平。在大約20億~15億年前，一種擁有精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空前能量代謝水平的復(fù)雜細(xì)胞一躍而出。這份復(fù)雜性遺傳給了大樹和蜜蜂，也遺傳給了人類中的你和我。我們與蘑菇有著天壤之別，但在顯微鏡下觀察到的細(xì)胞又如此相似。從有性生殖到細(xì)胞衰老再到細(xì)胞凋亡，復(fù)雜生命共有的一套細(xì)胞特征在不同的物種間有著驚人的相似程度。生命為什么是現(xiàn)在這個(gè)樣子？在40億年的漫長歲月中，從簡單的細(xì)菌到令人敬畏的復(fù)雜生命，這樣的演化飛躍事件為何只發(fā)生了一次？不得不承認(rèn)，在生物學(xué)的核心地帶，橫亙著一個(gè)巨大的認(rèn)知黑洞。

生命究竟為何沿著這么令人困惑的路徑演化？生物化學(xué)家尼克·萊恩從生物能量角度，交給了我們一把有望解開生物起源之謎的鑰匙。怪異的生物能量生產(chǎn)機(jī)制從各方面限制了細(xì)胞，而一次罕見的一個(gè)細(xì)菌入住到一個(gè)古菌體內(nèi)的內(nèi)共生事件，打破了這些限制，使得復(fù)雜細(xì)胞的演化成為可能。看似偶然發(fā)生的單次事件，卻因?yàn)槟芰康募s束而必經(jīng)一種演化歷程，許多最重要也最基礎(chǔ)的生命特征，也由此可以通過基本的生物化學(xué)規(guī)律進(jìn)行推斷。我們在演化過程中取舍權(quán)衡生殖力和年輕時(shí)的健康，換來衰老和罹患疾病的代價(jià)。生命的起源、人類的健康乃至生死，都可以從能量角度重新發(fā)問。