來自 量子雜誌 （在此查詢原始報道）。
保羅·克瑙斯戴著手套，拄著手杖，艱難地攀登死亡谷國家公園黑山中一條陡峭的岩石峽谷，以便在崎嶇的碎石中行走。下面的沙漠地面是地球上最熱的地方，但在二月下旬，野花開始從微小的裂縫中發芽。我們小心翼翼地走著，以免危及它們脆弱的生命——或者我們的四肢。
最後，我們到達了這片荒涼地形中的目的地：一個大約有 7.5 億年曆史的洞穴，這個洞穴是亞利桑那州立大學的地球化學家和地質學家，69 歲的 克瑙斯 和已故的古生物學家羅伯特·霍羅迪斯基在二十年前偶然發現的。洞穴的形狀印在白雲岩的牆壁上；它足以容納一個人，但裡面卻塞滿了細粉狀的石英。科學家們在尋找微化石時發現了這個洞穴，以支援他們當時激進的理論，即微生物生命在十多億年前就在陸地上蓬勃發展。在退休之前，克瑙斯希望將這個洞穴中的微化石新增到支援他的進化模型的證據中。
根據普遍的觀點，在 5.4 億年前的海洋中發生被稱為寒武紀大爆發的事件之後，陸地才是一片毫無生氣的、受輻射的岩石架，那時，有根植物和動物的祖先從海洋中爆發出來，開始在陸地上殖民。克瑙斯長期以來一直帶頭挑戰這種說法，他說，這種說法受到了化石記錄的偏見。海洋化石受到海洋沉積物層和海洋深處的平靜保護。陸地化石更有可能在古生物學家有機會發現它們之前，就被不斷變化的氣候和侵蝕所粉碎。
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因此，化石記錄嚴重傾向於海洋，使其看起來像是生命的搖籃。
根據克瑙斯的說法，倖存的陸地化石最有可能微小且隱藏在“地質時間膠囊”中，例如死亡谷洞穴，該洞穴經受住了火山、冰川和大陸板塊的碰撞。在過去的一萬年中，雨水沖刷周圍的景觀，將這個 7.5 億至 8 億年的地質構造——貝克泉白雲岩——切開。在 1990 年代初期，克瑙斯分析了這個 1000 英尺厚的白雲岩表面的地球化學特性。他的結果表明，早在寒武紀大爆發之前，該地區就充滿了光合作用的單細胞生命體。
更具說服力的是克瑙斯和他的同事們從白雲岩貧瘠表面上散佈的古老洞穴中發掘出的微化石。總而言之，地球化學和微化石的發現支援了他的理論，即在前寒武紀，複雜的生命形式不僅在海洋中進化，而且在陸地上進化。事實上，正如克瑙斯自 1985 年以來在《科學》、《自然》和其他期刊上發表的一系列論文中所論證的那樣，動物可能起源於淡水湖泊、河流和小溪，而不是含鹽量高、缺氧的海洋。
近 30 年後，該領域終於趕上了他的步伐。在過去五年中，許多研究人員報告了大量的地球化學和微化石證據，表明早在 22 億年前，生命就已在大陸上存在。
加拿大埃德蒙頓阿爾伯塔大學的地球微生物學教授兼《地球生物學》期刊的編輯 庫爾特·康豪瑟 說：“克瑙斯的工作具有啟發性。” “他為我們其他人打開了大門，讓我們去尋找前寒武紀陸地生命的證據。”
雖然許多古生物學家現在接受克瑙斯的前提，即在前寒武紀期間，簡單的單細胞生命形式存在於陸地上，但其他人則對他更激進的提議感到退縮，即複雜的多細胞生命，甚至動物生命，也在 6 億多年前在陸地上繁榮發展。在我們攀登洞穴的前一天晚上，在野外篝火旁，說話輕聲細語的克瑙斯坦言，他喜歡挑戰科學界流行的正規化，並計劃繼續這樣做。“在我年老的時候，我對人們封閉思想，盲目追隨任何華而不實、過於簡單的潮流感到非常失望，”他說。“但是，如果你從岩石開始，並向上推匯出一個解釋，它通常會揭示一個並非流行的現實。”
克瑙斯本可以從野外工作中退休，但好奇心驅使他繼續攀登死亡谷和西南部其他地區的炎熱、乾燥、崎嶇的山脈。他興高采烈地尋找更多的洞穴，希望找到確鑿的原始動物化石證據，這些動物曾經以他所說的在前寒武紀覆蓋大陸的茂盛的綠色單細胞生物墊為食。
“一隻石化的臭蟲將結束這場爭議，”他笑著說。
侵蝕正規化
大約在 7.5 億年前，貝克泉白雲岩誕生了，當時，1000 英尺厚的碳酸鈣鎂層沉降在羅迪尼亞邊緣的淺海環境中，這是一個正在分裂成碎片的超級大陸。巨大的碳酸鹽塊從海中升起，在炎熱潮溼的氣候下變成了陸地。在一個被稱為岩溶化的地質過程中，酸雨將碳酸鹽巖雕刻成一個由坑窪、天坑和洞穴組成的迷宮，包括我們這次訪問中徒步前往的洞穴。
美國密西西比河以東約 60% 的土地正在經歷岩溶化，使其類似於一種多孔的瑞士乳酪。但是植被和湖泊通常會遮擋住我們視野中的這些地質構造。在西南部乾旱的沙漠中，喀斯特地形更容易被發現，即使它們更加古老並且已經風化。我們在前往洞穴途中穿過的峽谷穿過了一塊巨大的白雲岩，這種黃褐色到粉紅色的岩石在腳下會碎裂。古老的喀斯特坑可以從最近被侵蝕的洞穴中區分出來，因為它們是在形成時掉落其中的石英碎石堆。
克瑙斯在 1980 年代開始探索沙漠喀斯特地形，當時他是一位年輕的地質學教授，在亞利桑那州立大學建立他的實驗室。他已經是分析岩石中儲存的有機物地球化學跡象的專家。關鍵在於岩石的原子組成；利用陽光獲取能量的生物體吸收一種較輕的碳版本，稱為碳 12，而不是較重的碳 13。這意味著曾經存在光合作用生命的區域比貧瘠區域的碳 13 含量略低。
令他們非常驚訝的是，克瑙斯和他當時的研究生馬克·比尤納斯發現，在亞利桑那州中部一個名為梅斯卡石灰岩的 12 億年前的沙漠喀斯特地形顯示出前寒武紀生命的地球化學跡象。“這令人驚訝，因為根據所有教科書，前寒武紀的陸地完全是貧瘠的，”克瑙斯說，他在 1985 年發表了地球化學 研究結果。
雖然克瑙斯的同行沒有質疑他的研究結果的準確性，但他關於陸地生命比寒武紀早 6.6 億年的結論卻受到了沉默。“寒武紀大爆發在 30 年前就有一個正規化鎖定，”克瑙斯說。“大多數古生物學家幾乎都無法想象我發現的東西甚至可能是真的。”
為了獲得更多證據來支援他具有挑戰性的正規化的主張，克瑙斯在死亡谷尋找生命跡象，對貝克泉白雲岩頂部一條不尋常的黑色石英山脊進行了取樣。回到實驗室後，地球化學分析顯示碳 13 的含量較低；他得出結論，那裡曾經生活著很多光合作用生物。而且，在存在生命地球化學跡象的地方，也可能存在微化石。
克瑙斯、霍羅迪斯基和學生 雷·肯尼 花了三年時間穿越貝克泉白雲岩和梅斯卡石灰岩的危險陡坡，收集他們希望包含微化石的岩石。他們經常在沙漠篝火旁筋疲力盡地睡著，衣服和靴子被鋒利的岩石撕碎。
他們把在沙漠中獲得的寶藏運回實驗室，用金剛石鋸將岩石樣本切成薄的、透光的切片。透過顯微鏡觀察，他們檢測到數十條絲狀物和球體，他們將其鑑定為礦化細胞。隨著時間的推移，他們在沙漠中的遊蕩產生了名副其實的微化石動物園。在 7.5 億至 12 億年前，它們是迄今為止發現的最古老的陸地化石。霍羅迪斯基和克瑙斯在 1994 年的《科學》雜誌上 報道了他們的里程碑式發現。
波士頓學院的古生物學家 保羅·斯特羅瑟 說：“克瑙斯對古喀斯特地形的地球化學分析是證明前寒武紀陸地生命存在的先驅研究。”
前寒武紀的琥珀
貝克泉地層在我們面前延伸開來，稜角分明，灰塵撲撲，幾乎沒有生命跡象。但在克瑙斯看來，它的表面曾經是閃閃發光的綠色，覆蓋著進行光合作用的細胞、藍藻和藻類。這些簡單的生物將陽光轉化為能量和氧氣，留下了碳 13 的明顯蹤跡。雨水沖刷了地表厚厚的溼潤的活細胞墊，有時將單個細胞拉入喀斯特化的洞穴中，在那裡它們被困在碎石之間。水中的鐵附著在被困住的、腐爛的微生物群上，使結構變硬。新的化石逐漸被在碎石之間生長的微小結晶二氧化矽（石英）縫隙包裹，將它們粘合在一起。
克瑙斯稱這種水泥為“前寒武紀的琥珀”。
正規化很難推翻，但沒有人駁斥克瑙斯在 1985 年首次提出的基本科學論點，而且他一直在不斷完善它。因此，關於大陸在寒武紀大爆發之後才出現生命的普遍假設一直在穩步瓦解。
加州大學聖塔芭芭拉分校的地球生物學家 斯坦利·阿夫拉米克 說：“僅僅在過去五年裡，這個 20 年前的發現才開始強烈影響該領域。” 像斯特羅瑟這樣的研究人員已經開始找到更多證據表明存在前寒武紀的陸地化石。
地球化學和遺傳技術的進步在一定程度上促使人們對在寒武紀前陸地上尋找微生物生命產生了濃厚的興趣。“人們現在意識到，存在著一個微觀的地面生物世界，它們沒有留下像海洋生物那樣容易被發現的大量化石，”克納思說。“而且，在火星沙漠中尋找生命痕跡的行為也提高了研究人員在嚴酷的、非海洋環境中發現原始地球生命形態的興趣，”他觀察到。
在克納思看來，低水平的碳13（古代光合作用生物的地球化學幽靈）與細胞狀微化石共存的最簡單解釋是，在寒武紀前，陸地上存在大量的生命。他以前離奇的理論現在已被地質生物學家廣泛接受。“克納思的微化石是寒武紀前陸地生命存在的切實證據，”弗吉尼亞理工大學和州立大學的地質生物學家肖書海說。
寒武紀前的叢林
克納思的進化模型遠不止於揭穿大陸的荒蕪。據他稱，居住在死亡谷和亞利桑那州的生物量與現在生長在巴哈馬群島和西印度群島的生物量相當。其他科學家對這些島嶼的地質進行的研究支援了這一觀點。這些熱帶島嶼目前正在經歷與近十億年前貝克泉白雲岩相同的塑造過程，它們具有相似的碳特徵。
“死亡谷曾經像今天的巴哈馬群島一樣，到處都是茂盛的光合作用生物，”克納思說，當時我們在正午的陽光下將熱水滴到舌頭上。
他還確信，多細胞的吸氧生物（現代動物的祖先）很可能生活在並以光合作用微生物為食，這些微生物向大氣中排放了數百萬噸的氧氣。事實上，克納思認為，這些寒武紀前期的動物（稱為後生動物）並不是在海洋中生命寒武紀大爆發後數千萬年才開始在陸地上定居的，而是可能發生了相反的情況：陸生動物爬入海洋，孕育了帶有外殼的海洋後生動物。
2005年，克納思發表了一篇地球化學論文，表明寒武紀前期的海洋是炎熱且超級鹹的，只適合能承受鹽和硫化氫的微生物生存。由於鹽和氧氣在溶液中不能很好地混合，這對吸氧生物來說是一個不宜居住的氣候。隨著大陸板塊的碰撞，一些海洋被困在淺層的隆起盆地中。大量海水蒸發，留下了大量的鹽，這些鹽被封存在陸地上。結果，海洋的鹽度水平直線下降，使得海洋可以吸收更多的氧氣。現有的海洋微生物群中毒或被驅趕到更深的水域，留下了一個空缺的生態位。
與此同時，克納思推測，利用氧氣的後生動物可能在寒武紀後期，在由雨水、湖泊、溪流和河流保持水分的光合作用生產者形成的潮溼地墊上進化而來。換句話說，富含蛋白質的光合細菌和藻類地墊將成為大型生物（如水熊蟲，一種以細菌為食的微觀動物）的絕佳食物來源。克納思希望在他最近一輪對死亡谷和澳大利亞西部的考察中找到此類生物的化石證據。
2009年，克納思和加州大學河濱分校的馬丁·肯尼迪對來自全球的數千份地球化學記錄進行了薈萃分析，這讓他們較為保守的同事感到震驚。他們報告了更多證據，表明早在8.5億年前，以光合作用藻類、苔蘚、真菌和其他生物為主的陸地大爆發很可能使大陸變得綠意盎然，並促進了多細胞生命（包括動物）的全球擴張，這為克納思的逆寒武紀大爆發模型提供了更多的地球化學依據。
這個觀點仍然存在很大爭議。一些同意克納思的觀點，認為寒武紀前陸地被微生物群覆蓋的古生物學家不相信早期動物或它們的祖先一定潛伏在那些細菌叢林中。“動物不可能在寒武紀大爆發之前在陸地上進化，”阿弗拉米克說，他指出克納思的理論沒有得到確鑿的化石證據的支援。然而，考慮到新的化石發現有著打破曾經看似顯而易見的範例的歷史記錄，他對這個問題持開放態度。
但正如他早期的理論一樣，早期陸生動物的證據開始不斷積累。在2011年的一篇《自然》論文中，斯特羅瑟和他的合作者報告了直接證據，表明多細胞結構可能在10億年前就已在淡水陸地環境中佔據主導地位，比寒武紀大爆發早了5億年。
蒙大拿大學的卡琳·布蘭克去年發表的一項研究表明，今天藍細菌的基因組看起來像是從20多億年前居住在陸地湖泊、河流和溪流中的早期生命進化而來的。此外，寒武紀前的化石記錄表明，早期的微生物有機體適應了陸地壓力，例如，開發了一種“乳液”來遮蔽太陽輻射。這與認為貧瘠的地形和紫外線會阻止寒武紀大陸上生命進化的假設相反。
去年，俄勒岡大學的古植物學家格雷戈裡·雷塔拉克及其合作者進一步推遲了陸地生命的出現時間，報告說，在南非出土的陸地微化石可能早至22億年前。這將打破克納思之前12億年的記錄。
雷塔拉克將生命僅起源於海洋的觀點歸因於希臘哲學家阿那克西曼德，他被愛琴海中生物的多樣性所震驚，聲稱人類是從魚的嘴裡進化而來的。“如果阿那克西曼德手頭有顯微鏡，他肯定不會那麼肯定，”雷塔拉克打趣道。
隨著來自古科學各個角落的寒武紀期間陸地生命的證據不斷湧入，具有反傳統思想的克納思受到啟發，繼續研究這個他20年前幫助點燃的迫切問題。他正準備探索澳大利亞沙漠中一個炎熱、蒼蠅成群的十億年前的遺址，尋找轉瞬即逝的小化石。
在我們開始危險的峽谷徒步旅行之前，克納思若有所思地看著峽谷牆上的一個洞。“我們永遠不會確切知道遙遠的過去發生了什麼，因為我們不在那裡，”他說。“但正如夏洛克·福爾摩斯所說，透過排除不可能的，科學正在接近可能。而最有可能發生的事件通常是對手頭事實的最簡單解釋。”
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