或许，我们上辈子都是一块叠层石？
2023年6月8日是第十五个“世界海洋日”暨第十六个“全国海洋宣传日”，今年世界海洋日暨全国海洋宣传日主题为“保护海洋生态系统 人与自然和谐共生”。
主笔｜袁越
如果你从澳大利亚西部重镇珀斯（Perth）出发，沿着1号公路向北开800公里，便会到达鲨鱼湾（Shark Bay）。这是澳大利亚本土的最西端，早在1991年便被联合国教科文组织列入世界自然遗产名录，是整个西澳地区第一个列入该名录的自然保护区。这地方人烟稀少，仅有一座拥有800居民的小镇，以及一个私人度假村。3月份是鲨鱼湾的旅游淡季，每天仅有一班飞机往返于珀斯。我因为时间有限，只能选择乘飞机前往，这架载客33人的萨伯（SAAB）340型双螺旋桨小飞机居然都没有坐满。
从空中俯瞰，鲨鱼湾很像英文字母W，开口向北直通印度洋，中间一座长条形的半岛把鲨鱼湾分成了东西两个部分。东边那个海湾名叫哈姆林池（Hamelin Pool），是叠层石（Stromatolites）的所在地。叠层石是鲨鱼湾被列入世界自然遗产名录的主要原因，也是我来鲨鱼湾的首要目的。没想到官方为游客修建的一座专门用来观赏叠层石的栈桥被飓风吹断了，导致整个景区都被封了起来，我只能站在很远的地方遥望。
即使桥没断，相信大部分游客也不会觉得叠层石有多好看。这是位于浅海区的一群直径约为1米的圆形物体，涨潮时隐身水下，好似蘑菇头，退潮时露出水面，看上去和普通的黑色礁石没什么两样。不过，看到叠层石的那一刻我格外激动，因为我知道它们不但是活的生物体，而且它们的祖先至少已经在地球上生活了35亿年，是迄今为止存活时间最长的生物。事实上，叠层石很可能是地球生命最初的样子，如今所有的细菌、真菌、动物和植物都是它的后代，包括我们人类在内。
风景之美在于想象，想象的力量源自知识的积累。如果没有足够的知识，我们连自己的老祖宗都认不出来。
我不满足于遥望，便联系了之前的采访对象，在他们的帮助下找到了一位常驻鲨鱼湾的叠层石专家特蕾莎·莫里斯（Therese Morris）博士。她原本是一名地质学家，目前是西澳大利亚生物多样性保护机构（DBCA）的世界遗产项目负责人。第二天，DBCA的新闻官安排我加入了由莫里斯博士领导的一个巡视小组，去叠层石保护区做了一次例行检查。叠层石非常脆弱，这个保护区管理严格，一般人是进不去的。
第二天，我们一行人乘坐两辆吉普车从设在小镇中心的DBCA办公室出发，穿过一大片干旱而又贫瘠的土地，来到一个专供科研用的叠层石保护区。这里的叠层石虽然不如旅游景点的那群叠层石规整，但胜在种类更加多样。因为有保护区工作人员在场，我们可以不用走栈桥，而是沿着沙滩直接走到叠层石跟前，甚至可以用手触摸它们。原来这东西虽然看上去和石头无异，但表面有一层湿滑的黏膜，浸入水下时甚至能看到有气泡冒出，确实是一种活着的生物。
“澳大利亚西部蕴藏着丰富的石油，这里曾经到处都是石油勘探员。1950年代中期，有一群石油勘探人员来到哈姆林池，意外地发现了这个叠层石群。”莫里斯博士对我说，“这是地质学家们第一次把活的叠层石和之前发现的叠层石化石联系在一起，此前大家都认为叠层石化石是一种来自远古时期的东西，现在已经没有了。”
据她介绍，考古学家们早在19世纪时就发现了叠层石化石，最古老的样本距今已有35亿年的历史了。顾名思义，这种石头的横切面是分层的，而且纹路相当规整。此前大部分地质学家都认为这些纹路是沉积物堆积挤压而形成的，只有少数人猜测它们和微生物有关，直到1956年在鲨鱼湾发现了活的叠层石之后，大家这才意识到至少有一部分叠层石是由微生物垫（Microbial Mats）组成的。
“微生物垫是由上千种不同种类的细菌、真菌、古细菌和病毒聚集在一起形成的薄膜，是早期生命自发组成的一个生态网络。比如，自养细菌和异养细菌的营养需求正好相反，前者的废料是后者的营养，反之亦然。它们如果共同生活在一起的话，正好可以互相帮助，这对双方都是有利的。”莫里斯博士介绍说，“这些微生物分泌的黏性物质把环境中的沉积物和颗粒物粘在一起，构成了微生物垫的基本结构。其中一些微生物的新陈代谢过程会导致碳酸钙晶体的形成，而这些晶体和沉积物一起加固了微生物垫的三维结构，这就是叠层石的来源。随着时间的流逝，沉积物和碳酸钙晶体越积越多，阻挡了光线的透入，于是微生物垫中占据主导地位的光合细菌就会在外表形成一层新的微生物垫，重复一遍上述过程，叠层石就是这样一层一层地堆积出来的。”
在鲨鱼湾发现的一种叠层石（袁越 摄）
莫里斯博士从背包里拿出一张电镜照片给我看，照片拍的是活微生物垫的内部结构。只见一个个细菌被一根根不同长短的丝线连接在一起，看上去很像是一个充斥着电线和网线的杂乱无章的贫民窟。“微生物垫相当于一次自下而上的自组织过程，微生物将周围环境中的颗粒物和沉积物组合到一起，并用这种方式直接改变了地球表面的样貌，这是生命史上第一次发生这样的事情，叠层石很可能是地球上出现的第一个生态系统。”莫里斯博士补充道，“我相信达尔文是第一个意识到生物具备这种能力的科学家，他的第一篇论文研究的就是珊瑚环礁的成因。”
我曾经为三联书店写过《物种起源》的起源，对这段历史非常熟悉。年轻时的达尔文对地质学更感兴趣，他在那次环球航行的过程中花了大量时间研究环礁的成因，最终给出了一个令人满意的解释。这个解释涉及他对时间的理解，他是最早意识到地球历史极其漫长的学者之一，很多看似不可思议的事情，只要把时间变量引入公式，一切疑问就都迎刃而解了。
说话间，我俩走到一处新的观察点。这里不但有黑色的叠层石，还有一大片黄色的块状物，看上去像是发霉的豆腐块。我在莫里斯博士及其巡视员们的授意下用手摸了摸，发现它极富弹性，仿佛下面不是松软的沙子，而是一块橡皮。“豆腐块”旁边还有一大片灰白色的东西，摸上去就像是一个瑜伽垫，手感和周围的沙子明显不同。“微生物垫有很多不同的种类，这一方面取决于生活在其中的微生物，另一方面也和周围的环境有关系。微生物非常善于就地取材，它们会根据周围环境的不同选择不同的建筑材料，组成不同质地的‘垫子’，而周围环境中的水流速度和方向等外界因素也会对微生物垫的形状产生影响。所有这些因素加在一起，便形成了我们今天看到的圆锥形、圆柱形、分叉形和直线形等不同形状的叠层石。甚至还有一种血栓岩（Thrombolites），其内部结构不是分层的，而是分块的，就像是一个个血块。”莫里斯博士对我说，“鲨鱼湾是地球上极少的几个拥有活的叠层石的地方，而这里的叠层石的多样性则是所有地点当中最高的，我们可以在这里看到前寒武纪时期的微生物垫的生长状态，这就是高等生物出现之前地球的样子。鲨鱼湾不但为我们研究地球早期生态系统提供了一个极其珍贵的露天实验室，也可以帮助我们了解其他星球上可能存在的生命的形态。”
我盯着这群奇异的生命，恍惚间感觉自己穿越回了40亿年前的太古时代。年轻的地球刚刚过完自己5亿岁的生日，剧烈的火山活动终于渐渐平息了下来，主要由玄武岩构成的地壳也基本定型了，原本以蒸气形式存在的水以一场持续了数十万年的大雨的方式沉降至地面，把地球变成了一个水球。
关于地球上的水的来源，目前存在很多不同的理论。一种比较流行的假说认为水是彗星带来的，最新的假说则认为水在地球形成之时就存在了。但不管怎样，地球是一个不缺水的星球。早期的地球表面几乎全被海洋覆盖，只有少数几座岛屿时不时地露出水面。这些岛屿是由质地较轻的花岗岩组成的，它们浮在玄武岩地壳之上，是所有大陆的前身。
今天只有在南非、加拿大、格陵兰岛和澳大利亚等少数几个地区仍然能够找到这些原始岛屿的遗迹，这几个硕果仅存的“微大陆”为我们保留了地球太古时代的样子。前文提到的距今35亿年的叠层石化石就是在澳大利亚西部被发现的，而迄今为止最古老的微生物化石则是在格陵兰岛上被发现的，距今已有37亿年的历史了。考虑到当时地质活动的剧烈程度，以及微生物化石留存下来的难度，生命的诞生时间应该要比这个更早，甚至早个几亿年都有可能。
早期的微生物肯定全都生活在幽暗的深海之中，因为阳光中的紫外线是所有生命的终极杀手。大部分深海微生物依靠海底热液喷口产生的化学能生活，也有少部分微生物进化出了光合作用的能力，能够利用热液喷口和荧光生物发出的微光生活，这就是绿硫细菌和紫硫细菌。这些细菌在进行光合作用时分解的不是水，而是硫化氢，所以它们光合作用的副产品不是氧气，而是硫单质。
虽然深海的光线很弱，但因为惧怕紫外线，这些细菌不敢去浅海生活，浪费了大好的阳光。在30亿至35亿年前，蓝细菌（Cyanobacteria）横空出世，一举解决了这个问题。这种细菌能够分泌一种黏液，挡住了大部分有害的紫外线，因此它们终于可以在阳光充足的浅海生活了。充足的光能让蓝细菌具备了分解水分子的能力，因此蓝细菌的光合作用的副产品不再是硫单质，而是氧气。
表层海水唯一的缺点就是缺乏营养物质，这个困难是依靠微生物垫来解决的。“垫子”的最外层是蓝细菌，它们利用阳光将二氧化碳转化为糖，同时负责分泌“防晒霜”，保护生活在下层的厌氧菌。这些厌氧菌负责将死去的蓝细菌消化分解，释放出其中的氮和磷等营养元素，供上层蓝细菌使用。就这样，蓝细菌通过和各式各样的厌氧细菌结盟，形成了一个小型的食物链。只不过这个食物链没有高低之分，而是一个所有成员地位平等的内循环。大家各取所需，互相帮助，高效地解决了浅海区的营养短缺问题。
那个时期整个地球的浅海区和今天的哈姆林池非常相似，全都遍布着叠层石。这些石头以每年1厘米的速度向外扩张，迅速占领了地球上所有的浅海海滩，这样的景象一直维持了将近30亿年！换句话说，地球生命史的绝大部分时期都是被叠层石统治的，它们才是地球生命的王者。假如外星人曾经访问过地球的话，他有三分之二的概率看到的是一个布满叠层石的世界。
之所以会有这个结果，主要原因在于当时的细菌没有天敌。生命在进化出来之后，有将近20亿年的时间维持在原核生物的状态。原核生物的细胞没有细胞核，也缺乏细胞器，无法发展出复杂的内部结构，只能以最简单的细菌方式存活于世。虽然细菌的种类成千上万，但它们的大小都差不多，谁也无法做到一家独大，大家只能和平共处，共同进化。
说到生物进化，不少人相信你死我活的生存竞争才是王道。但其实在生命最初的30亿年时间里，来自外部环境的生存压力远比物种之间的竞争压力要大得多，所以合作才是生物进化的主旋律。蓝细菌虽然进化出了高效利用阳光的绝招，但它们也必须依靠其他细菌的帮助才能存活，叠层石就是这种合作的结果。
有意思的是，大自然似乎并不喜欢任何形式的一家独大。叠层石的疯狂扩张便为自身的覆灭埋下了伏笔，掘墓人就是蓝细菌光合作用的副产品——氧气。早年间的地球大气层中充满了甲烷、氢气、硫化氢、水蒸气和二氧化碳等常见气体，唯独没有氧气，因为氧气是一种化学性质极为活泼的气体，很容易和多种矿物质进行化学反应，通常情况下是不太可能在大气层中累积下来的。蓝细菌虽然工作效率很高，但也花费了至少5亿年的时间才终于让氧气在大气层中稳定了下来，从而彻底改变了地球大气的构成。
氧气的出现对于生命来说喜忧参半。喜的是氧气在高空中形成了一层臭氧层，挡住了太阳光中的大部分紫外线，从此地球表面安全了许多，生命不但不再需要躲进深海了，甚至可以登上陆地。忧的是，当时地球上生活的绝大部分细菌早已适应了无氧环境，氧气对于它们来说就是毒药，于是它们只能继续待在海底，只有那里才能找到无氧的环境。
但是，也有一部分细菌进化出了利用氧气的能力，并迅速成为地表生物圈的主宰。大约在20亿年前，一个古细菌吞下了一个好氧细菌，后者没有死，而是在前者身体里安顿下来，成为这个古细菌的寄生虫，这一现象被称为“内共生”（Symbiogenesis）。此后，这个好氧细菌逐渐把自己的大部分DNA丢给了宿主，自己则摇身一变，成为专门为宿主提供能量的线粒体。而宿主则因为有了能量的保证，逐渐进化出了细胞核和复杂的细胞器，变成了一个真核细胞，这就是如今所有复杂生物的前身。
又过了数亿年，其中的一个真核细胞吞下了一个蓝细菌，后者同样摇身一变，把自己变成了叶绿体，帮助宿主进行光合作用，这就是植物的前身。再后来，一个真核细胞进化成了多细胞生物，靠吞吃其他有机体为生，这就是动物的前身。从此，地球生命变得多姿多彩，地表环境也发生了根本性的变化，终于成为今天这个样子。
由此看来，早期生命从简单到复杂的进化过程的主要推动力就是分工合作。最初的分工合作属于“外共生”，即不同的独立个体自发组成一个互助联盟，其结果就是统治地球长达30亿年的叠层石。之后的分工合作源于前文提到的细菌“内共生”，从中诞生了线粒体和叶绿体这两个关键的细胞器。这一变化标志着生命的分工合作从无意识的自发行为变成了在细胞核统一领导下的自觉行动，合作的效率大大提高，进化速度明显加快，最终的结果自然远比叠层石要精彩得多了。
氧气在空气中的积累极大地提升了好氧生物的新陈代谢效率，为多细胞生物的出现提供了能量基础，这就相当于引入了竞争机制，生物进化再次得以提速。于是，自前寒武纪末期的埃迪卡拉纪（距今5.8亿年）开始，地球上首次出现了结构复杂的动物和植物，不同物种之间的体形差异也迅速拉大了，这让捕食成为常态。比如这一时期出现的各种软体动物开始以遍布全球的微生物垫为食，这使得叠层石的数量很快下降到只有鼎盛时期的五分之一，不再一家独大了。
到了距今5.4亿至4.8亿年的寒武纪时期，地球生命迎来了一次多样性的飞跃，如今绝大多数动物“门”都是在这一时期首次出现的，这就是著名的寒武纪物种大爆发（Cambrian Explosion）。很多人没有意识到的一点是，这次大爆发所诞生的新物种全都生活在海洋里，而当时的陆地乏善可陈，仅有一些真菌和藻类存在，没有任何肉眼可见的生物能够在陆地上生活。
不过，这次寒武纪物种大爆发却为后来的物种大规模登陆打下了基础，比如在云南滇池旁边一个名叫海口的小镇上发现了几百只小虫子的化石，它们的背部长有脊索，头部出现了原始的大脑，属于无脊椎动物向脊椎动物过渡的中间型。如果你是一个喜欢祭拜祖先的人，那么你应该在家里挂一张海口虫（Haikouella）的照片，因为它是当今世界所有脊椎动物的祖先，因此也是我们人类的祖先。
（本文节选自《三联生活周刊》2023年23期《海洋简史》）
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