地球複雜生命起源新線索：冰河期導致多細胞生命出現

地球生命至少可以追溯到20億年前，但直到5億年前，生命才發展到可以被肉眼看到的程度。長期以來令生物學家感到困惑的一個問題是，生命如何從微生物躍變為多細胞的植物和動物，並最終統治這顆藍色星球？現在，科學家對10億年前生命遺留在岩石中的化學痕迹進行了分析，發現很可能是一段劇烈的冰河期導致了多細胞生命的出現。

大約6.59億年前，Sturtian冰河期結束，地球迅速升溫，進入了酷熱的「溫室期」。在這段長達1500萬年的時間內，磷、氧及其他多細胞生命生長所需的元素大量釋放。

在浮游生物大量出現並成為多細胞動物的食物之前，地球的大陸已經經歷了融合、分裂和再次融合的過程。

這張時間線示意圖顯示了地球的地質化學變化與藻類等真核生物的出現之間的聯繫

在發表於《自然》（Nature）雜誌的文章中，研究者細心重建了生命在「雪球地球」（Snowball Earth）時期前後的演變時間線。大約7億年前，地球發生過一次嚴重的冰河期，稱為Sturtian冰河期。大約6.59億年前，Sturtian冰河期結束，地球迅速升溫，進入了所謂的「溫室期」。隨後，熱氣騰騰的地球又進入了Marinoan冰河期，冰雪重新覆蓋了幾乎整個地球。在兩次「雪球地球」之間的1500萬年中，嶄新的地球生命開始出現。

澳大利亞國立大學的地質學家約亨·布羅克斯（Jochen J。 Brocks）與同事對古老岩石中殘留的細胞膜痕迹進行分析，希望能確定多細胞生命出現的過程。細胞膜由脂類及其副產物組成，可以作為生物標記，就如同早期微生物的化石。通過分析這些細胞膜的化學組成變化，布羅克斯和他的團隊發現，在Sturtian冰河期之後的溫暖海水中，迅速出現了新的、體型更大的海生浮遊藻類。其中一些藻類屬於真核生物，意味著它們已經發展出了細胞核——演化出多細胞生命的又一個必要步驟。

不過，如果Sturtian冰河期之後的地球沒有發生地質化學上的重大變化，多細胞生命也就無法進一步演化。從上大氣層到幽暗深海，地球的分子組成必須發生改變才行。

研究人員指出，當雪球地球時期末段，融化的冰川迅速侵蝕大陸，將大量的營養物質輸送到海洋中。充滿礦物質的冰雪泥漿傾瀉到海洋里，沉到海底，同時將碳元素固定。一切到這時候才真正開始。「如此大規模的還原碳沉積必須由釋放到大氣中的氧來平衡，從而引起新元古代（Neoproterozoic）深海長期的產氧過程，」研究者在論文中寫道。原本氧氣含量非常低的地球突然間充滿了氧氣——海洋和大氣中皆是如此。

氧氣含量的上升引發了一系列相關事件，包括水體中磷含量的上升，而這種元素正是組成脫氧核糖核酸（DNA）和能量分子——三磷酸腺苷（ATP）——的關鍵成分。藻類等一些更為複雜的生命形式開始出現，並在生命活動期間釋放出氧氣。隨著藻類分化，出現了另一些以藻類為食的生命形式。隨著時間推移，以這些生物體為食的新捕食者也演化了出來。越來越多的生物體死亡並沉到海底，使更多的碳固定下來。正如研究人員所說，地球發展出了「一個更為高效的生物泵」。

這場由氧元素和磷元素推動的變化不可阻擋。即使在Minoan冰河期的雪球地球之後，熱帶地區的海洋表面被加熱到60攝氏度，藻類依然能在兩極地區找到生存空間，並繼續演化。我們今天所知的生命形式似乎正是出現在雪球期和溫室期之間，並在溫暖的海水中不斷地游移。大約5.5億年前，地球氣候逐漸變得更加穩定，具有頭部、尾巴和內臟器官的動物也開始出現。

並未參與此項研究的哈佛大學地質生物學家安德魯·克諾爾（Andrew Knoll）表示，該研究的結果將改變有關地球複雜生命出現的爭論。布羅克斯及其同事的工作從根本上表明了環境改變是生命演化的關鍵。如果沒有氧氣充足的海洋，動物就不可能出現在地球上。

這也是近年來科學家高度關注海洋脫氧過程的原因。由於氣候變化，以及陸地營養物質的輸送，使海洋中出現了一些脫氧的區域——稱為「死亡區」。這些區域會減緩甚至中止地球的生物泵過程。地球是一台巨大的地質化學機器，許多過程的運行時間尺度都以數百萬年計。這些過程的混亂可能會完全改變世界的面貌。換句話說，地球上的生命可能因此繁盛，比如在海洋中氧含量和磷含量上升的時候；而有的時候，這可能會帶來生命的滅絕。