早期地球的环境变化和生命的化学进化

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1、古生物学报, 41( 2) : 295- 301( 2002 年 4 月) Acta Palaeontologica Sinica, 41( 2) : 295- 301(Apr. , 2002)收稿日期: 2001 -09 -17*国家自然科学基金资助项目( 49572085)早期地球的环境变化和生命的化学进化*齐文同 柯叶艳 ( 北京大学地质学系 北京 100871)提要 生命起源是当代最大的科学疑谜之一, 也是历来人类普遍关注的一个焦点。在地球上最早的生物出现之前, 有机物经历了漫长而复杂的化学进化过程, 称为生命的化学进化。地球上生命的化学进化与非生物部分的早期演化过程, 是密切地相互关

2、联、 相互作用并相互制约的。文章着重阐述与生命的化学关系最为密切的冥古宙和太古宙的地球演化历史, 指出这两个阶段所形成的还原性原始大气和古海洋条件在生命的化学进行中起了极其重要的作用, 并且从宇宙形成、 太阳系演化和地球环境早期演化的角度, 探讨地球生命的化学进化历程: 以地球形成初期发生了一系列复杂的有机化学反应过程, 由无机分子生成生物小分子, 再进一步生成生物大分子, 直至最后产生原始细胞。此外, 文章评述当前国际上最流行的生命化学进化学说, 对早期地球的化学进化是发生在地球表面的原始海洋、 粘土矿物、 火山喷发等, 或是来源于地球之外的宇宙空间进行了综合的阐述。关键词 生命起源 化学进

3、化 协进化 环境变化 早期地球生命的起源问题历来是学术界和公众普遍关注的焦点问题, 也是现代科学研究的热点。生命的化 学进化学说, 是生命起源诸多学说中最有影响和说服力的观点。英国科学家詹姆士#郝屯( James Hut- ton, 1726 1797) 在两个世纪前提出了一个地质学的基本原理, 即所谓的均变原理: 今天地球上正在进 行着的一切地质过程和历史上的相同; 过去和现在制约这些地质过程的机制和规律都是一样的。他认 为地球最初形成的问题不属于我们研究的范畴, 我们只能发现类似事件的不定循环, / 没有开始的痕 迹, 也没有结束的征兆0。按照均变观点, 地球实际上没有历史变化, 过去等于

4、现在, 也等于将来。这种均变论观点将生命的进化安置在一种不演化的地球 环境中, 使生物进化成为与地球环境的变化无关的孤立过程, 生物进化过程成为生物单方面适应无方 向变化的环境的过程。但现代地质学家在长期探索地球历史之后得出 了新的结论: 在大的时空尺度上, 地球表面环境经历了一个有方向、 不可逆、 不重复的演变过程。地球本 身和地球上的生命都是进化的, 生命的进化与地球非生命部分的演化是相互关联、 相互作用、 相互制约 的/ 协进化0过程, 它们的演化历史相互关联( 张昀,1998) 。导致地球上出现生命的化学进化过程和早期地球的环境变化是密不可分的, 早期地球的大气 和古海洋条件是生命的化

5、学进化过程得以完成的重要条件。早期生命的化学进化是发生在地球表面还 是源于地球之外的宇宙空间, 也是近年来学术界争论的一个主要议题。1 地球的形成和早期演化原始地球的形成和演化是宇宙物质进化中的一 个环节, 宇宙的起源和演化与原始地球的化学进化密切相关。当前最流行的宇宙起源假说, 主要有大爆炸理论和稳恒态理论等。一般认为, 原始物质通 过凝聚形成原始星云, 原始星云中的气体尘埃进一步凝聚产生恒星, 并继续这个过程( 原日馨, 1978) 。 大爆炸理论是一种比较新的观点, 认为宇宙是在 20000 Ma 年前通过奇特的大爆炸形成的, 正是这种奇 特的大爆炸从无到有地产生了时间和空间。其演化过程

6、的主要特点是: ( 1) 宇宙的热力由高温向温度降 低方向演化, 宇宙年代越早其温度越高; ( 2) 氢是宇宙中最初形成和最丰富的元素, 可以认为最原始的 宇宙几乎完全是由氢元素构成的。通过热核反应,由氢转化为氦, 由轻元素转化为重元素, 经历了一系列极其复杂的过程。生命的起源和演化是和宇宙的起源和演化密切关联的, 生命构成元素如 C、 H、 O、 N、 S、 P 等就是来自/ 大爆炸0后的元素演化。太阳系是由 5 000 Ma 年以前的原始星云凝聚而成的, 这些原始星云很可能是高密度的, 在浓厚星云的致密中心处形成了太阳( Gaffey, 1997) 。太 阳系的发展阶段为: 星胎阶段、 红

7、外星阶段、 主序星阶段、 红巨星阶段、 爆发星阶段和白矮星阶段( 康育义, 1997) 。太阳系目前正处在主序星阶段, 恒星一 生的大部分时间处于主序星阶段。物质在太阳系中的空间分布不均匀, 离太阳比较近的部位, 难熔元素比较富集而挥发性元素比较贫乏; 在巨行星区则挥发组分富集而难熔元素匮乏; 在外行星区不仅难熔 元素贫乏, 而且挥发性元素也大量丢失。太阳的化学组分主要为H 和 He, 其次有 O、 C、 N、 He、 Si、 Mg、Fe、 S、 P 等。地球诞生于 4 600 Ma 年前, 地球的物质成分主 要来源于太阳系的原始星云。这一高温气体云通过拉普拉斯形式收缩形成星云盘; 星云盘物质

8、凝聚, 通过碰撞吸积凝聚成大小不等的星子; 星子通过行星 胎再聚 集形 成 不同 大小、 密 度和 成 分的 行 星( Gaffey, 1997) 。地球的演化历史可以分为四个巨大的发展阶段: 冥古宙( 距今 4 600 Ma 年) 3 800Ma 年前) 、 太古宙( 距今 3 800 Ma 年前) 2 500 Ma 年前) 、 元古宙( 距今 2 500 Ma 年前) 540 Ma 年前)和显生宙( 距今 540 Ma 年前至今) 。其中冥古宙和太古宙与地球演化过程中生命的化学进化的关系最 为密切:( 1) 冥古宙是地球历史的最早阶段。从生命起源的化学演化角度来看, 冥古宙是个很重要的时期

9、。在这个时期, 原始地壳的演变经历了三个阶段: 原始 地壳 ( 超基性岩地壳, 薄而脆弱) 、 原始地壳 ( 基性岩地壳, 壳仍然薄而脆弱, 有原始的陨击作用) 和原始地壳 ( 强烈陨击地壳阶段) 。这时有一个以 H 和He 为主的初始原始大气存在; 根据 3 800 Ma 年前的古老片麻岩相伴随的沉积岩上的风化和被搬运迹象推测, 在冥古宙末期可能已经出现了小规模的水圈 ( 张昀, 1989) 。地质学家邓恩认为, 在 4 000 Ma 年前地球上就已经发生了侵蚀和沉积作用, 其中包括流水作用在内( 康育义, 1997) 。大气圈和水圈的存在, 为生命的早期演化提供了条件, 在冥古宙 结束之前

10、, 生命演化很可能就已经开始了。( 2) 太古宙的地壳处于原始地壳 阶段, 即火山 -盆地沉积阶段。当时不但已经有了地质记录最古老的岩石, 还有最古老的生命遗迹以及由生物体分解而成的有机化合物, 也在地层中不同程度地保 存下来。那时地壳的出气作用尚未结束, 内圈的类地行星在演化早期都经历过从内部向外排出气体( 主要是 CO、 CO2及水蒸气等) 的过程, 称为出气作用( outgassing) ( 张昀, 1989) , 出气孔遍布, 火山活动 和岩浆活动也比现今的地球广泛、 强烈得多, 陨石撞击频繁, 地表温度可能比今天的地球表面高得多。广泛而强烈的火山活动喷发出大量的气体, 形成了 第二个

11、大气层 ( Rode, 1999) 。太古宙已经出现了碳酸盐沉积, 说明当时大气中含有 CO2。CO2主要来源于火山喷出的气体, 但早期大气圈中 CO2的含量还取决于大气中还原性气体( 如 H2、 CH4) 的含 量。高 CO2含量的大气圈通过/ 温室效应0, 能达到多高的地表温度? 一种推断认为地表温度超过100e , 另一种推断认为不高于 100e ( Kasting,1986) 。太古宙有一个酸性的水圈, 随着水量的逐渐 增加, 地壳中的一些可溶性化合物被溶解, 例如无机盐等。这些无机物质在生命的化学进化过程中起着非常重要的作用, 它们对一些有机物质的生成和稳 定是必不可少的( Rode

12、, 1999) 。有些证据说明, 太古宙的海洋是还原性的, 类似于今日洋脊热泉( hotspring) 附近的局部环境, 海水溶有多种还原性气体和多种金属元素, 海水中的自由氧和氧化物比较少, 海水温度较高( Baross et al. , 1985) ; 另一种观点则认为太古宙的海洋环境和现在的海洋环境差异并不大( Reimer et al. ,1979; Cameron et al . , 1980; Cowen, 1993) 。2 大气圈和水圈的早期演化地球表面最先出现的大气和海洋, 在生命的化学进化过程中起了极其重要的作用。原始大气可能是生命化学进化的最初舞台, 早期大气的化学组成 是

13、生命起源问题争论的一个焦点 ( Whittet, 1997) 。各个行星的大气化学成分主要决定于行星的质量、表面温度及行星与太阳的距离等因素。地球大气层大概先后经历过原始火山大气层、 火山大气层、 二氧 化碳大气层与氮 -氧大气层等演化阶段。由于太阳系是由同一原始星云形成, 地球在形成的初期应当具有原始大气, 它的成分和现在宇宙空间中的气体 成分一致。在原始星云中, H 元素最丰富, 因此推测地球形成初期也应当具有以 H 和 He 为主体, 以 H296 古 生 物 学 报第 41卷的化合物为次要成分的还原性大气。早期地球的大气圈缺氧或者氧的分压很低, 因此当时的臭氧层不存在。由于没有臭氧层防

14、护, 地球表面受着强烈的 太阳的紫外线辐射。随着地球逐渐变冷, 水蒸气凝结成水。大气层高处的水分子受到光的作用离解。氢的分子量小, 易于逃逸到宇宙空间, 氧则与甲烷等气体结合成二氧化碳, 与氨作用生成氮气和水, 成为 当时大气的主要成分( 齐文同, 1995) 。此后, 由于地球内部排气、 海气交换作用和化学作用等的结果, 而且大气层中的气体, 除稀有气体外, 受到生命活动所 产生的气体快速循环的影响, 由还原型大气逐渐转变为富氧型大气。大气中氧含量的增加可能一方面与火山活动有关, 另一方面, 生物在进化过程中的生命活动也控 制着大气 中氧聚集 的速度和比 例 (Monastersky, 19

15、92) 。一直到太古代早期, 最初形成的地壳仍然较为薄弱, 内部温度仍然很高, 因此火山活动十分频繁。地球内部的物质分解产生大量的气体( 出气作用) 。这些气体随着火山活动而被驱散 到地球外面, 成为原始大气的一部分。此外, 小行星和彗星也很可能为地球大气圈带来了一些挥发性化合物和有机分子( Gaffey, 1997) 。科学家普遍认为, 太古宙次级原始大气的特点仍然是还原性的, 缺乏游离氧。地球上目前存在的是以 N2、 O2为主体的氧化型大气圈, 而太阳系外圈行星的大气圈则仍然继承和保留了太阳星云的物质成分, 主要由 H 和 He 组成, 还含有少量的甲烷、 水和氨。类地行星金星和火星都具有

16、以二氧化碳占优势的酸性大气圈,氧、 氮含量很少, 水分也非常少。地球与太阳系其它 行星的大气圈组成的差异, 看来主要是由于地球上有大量生物长期的生命活动所造成的结果。Love -lock 和 Margulis ( 1974) 认为, 生物活动能动地影响并调节环境, 使环境维持在适合生物生存的状态 下。地球大气圈的酸度、 化学组成、 氧化还原状况和温度稳定性等情况, 都和其它行星显著不同。这些特殊情况和生物活动都有很密切的关系。由此看 来, 原始的大气不但提供生物的化学进化所需要的物质原料和化学反应条件, 还为生物的演化提供了条件; 而生物本身又积极参与维持和调节大气圈的各种物质的化学状态, 使其适合自己的生存。 海洋是生命的摇篮, 液态水的出现是生命化学演化过程中的重要转折点。金星、 火星和地球同属类地行星, 但金星和火星上缺乏液态水, 很可能是那 里生命不能存在的主要原因。所有以碳为基础的生命物质都与水有关; 具有高度反应活性的有机分子虽然也可能在气相中生成, 它们却在水溶液中发生化学反应。有证据表明, 早期的金星上曾出现过海洋, 其存在时间可能长达 1000