在33亿年前的岩石中，发现古老生命的化学证据

当古生物学家还在岩石中寻找完整的化石形态时，一种新的方法已经让我们能“听见”那些被时间碾碎的回声。最新研究显示，借助人工智能，人类首次从 33 亿年前的岩石中，读出了生命在分子层面留下的“残影”，并将产氧光合作用的证据推回到 25 亿年前之前——比我们此前掌握的化学记录早了整整 8 亿年。

这意味着，即便所有细胞结构都已消失，生命仍会在物质世界中留下可被识别的模式。

这正是《太阳、地球、生命的起源》所试图回答的那个根本问题：

为什么是地球，而不是别的行星，孕育出了生命？

从年轻太阳的诞生，到地球宜居性的形成；从无生命的化学反应，到最早的生命形式，再到光合作用改变行星命运的那一刻——这本书以天体生物学的视角，沿着 40 多亿年的时间轴，重构生命如何一步步在宇宙中“站稳脚跟”。

而当生命迈过最初的门槛，真正改变演化走向的，是能量的获取与利用。《复杂生命的起源》将目光投向另一个长期被忽视的核心问题：

为什么复杂生命只出现过一次？

在生命诞生后的漫长 20 亿年里，世界几乎只属于细菌。直到一次极其罕见的内共生事件，突破了生物能量的根本限制，复杂细胞才得以出现，并最终演化出我们所熟悉的一切多样生命。

从 AI 在古老岩石中辨认生命“碎屑”，到科学家在能量代谢中寻找演化的必然性：

生命不仅是一次偶然的奇迹，也是宇宙条件、地球历史与物理化学规律交织出的结果。

以下文章来自「原理」：

长期以来，为了寻找地球上最古老的生命迹象，古生物学家会将目光投向寻那些保存完好的化石证据，包括单细胞和丝状体的微化石，以及微生物垫和丘状叠层石等细胞结构的矿化遗迹。然而，这类来自地球“青春时期”的化石极其罕见。因此，寻找古老生命迹象的另一条线索，就是那些保存在古老岩石中的可作为生命标志的生物分子。

在一项新发表于《美国国家科学院院刊》上的研究中，一个研究团队设计出了一种人工智能（AI），它只需根据数十亿年前的生物分子在降解后留下的化学物质的分布模式，就能在来源不明的古老岩石中识别出古生命的迹象。

依靠这种方法，研究团队分析了406份样本，其中包括古沉积物、化石、现代动植物，甚至陨石。最终，他们在距今33亿年的岩石中发现了地球早期生命的新化学证据，并找到了分子层面的线索证明——产氧光合作用早在至少25亿年前就已经存在，比此前保存在碳分子中的光合作用化学记录早了至少8亿年。

残存的生命证据

在过去的研究中，科学家已经在距今约17亿年的沉积物中，发现了生命中一些最为“坚韧”的有机分子——例如源自细胞膜或某些代谢过程的分子；而一些保存在更古老的富碳岩石的同位素特征，则预示着在距今35亿年前，就已存在一个充满活力的生物圈。

然而，大多数古老岩石既没有保存任何化石细胞，也没能保留任何幸存的生物分子。绝大多数古老的含碳沉积物都经历了加热和改造，使得所有可作为生命标志的生物分子被分解成无数微小的“碎屑”。而一直以来，这些“碎屑”都被认为过于细小且缺乏特异性，无法提供有关远古生命的任何线索。

来自早期地球的富含碳的样本。（图/Michael Wong）

因此，在这项新的研究中，研究人员决定不再一味追寻那些完整、无可争辩的生物分子“铁证”，而是开始思考：能否在这些化合物分解后留下的分子“碎屑”中，识别出足以说明问题的特征模式。

为此，研究团队收集并测量了406个样本，这些样本来源于七大类：

• 现代动物：包括脊椎动物（如鱼类）和无脊椎动物（如昆虫）。

• 现代植物：包括具有光合作用的部位（如叶片）以及不进行光合作用的部位（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类化石的页岩。

• 陨石：富含碳的太空岩石，可能类似于生命起源前的有机物质。

• 合成有机材料：在实验室中制备，用以模拟早期地球的化学环境。

• 古沉积物：年代从数亿年至30多亿年不等，其具体来源尚不明确。

研究团队利用一种名为裂解气相色谱-质谱仪的装置对这些样本一一进行了分析。这一装置能将样品加热到600℃以上，使其分解成易挥发的碎片。随后，这些碎片会根据其物理和化学性质被分离、识别，并根据浓度进行统计。最终，每个样本都被转化成一幅数据“景观”，其中包含多达数十万个独立的峰值，每一个峰都代表一种可能的分子碎片。

一种开创性的模型

随后，他们使用一种名为“随机森林”的机器学习模型对数据进行分类，并提取其中的潜在生态学和分类学模式。这个过程可以被想象成将成千上万块拼图碎片展示给一台电脑，然后问：原来的图案是一朵花，还是一块陨石？

在这一过程中，研究人员使用75%的样本来对AI模型进行训练，再把剩余样本留给模型做独立判断。

他们首先测试了模型区分生物样本与非生物样本（如陨石或合成有机物）的能力。在已知来源的样本上，该模型的区分准确率高达90%。而且模型还在距今33亿年的岩石中，识别出了生物特有的化学模式——这一几乎是此前在古岩石中发现的最早生物分子特征年龄的两倍。

这片岩石薄片中的黑色结构是距今25亿年的微生物构造。研究表明，保存在这一复杂微生物群落中的有机物，可能由光合作用微生物所产生。（图/Andrea Corpolongo）

与此同时，模型还以93%的准确率，识别出曾利用光合作用从阳光中获取能量的生物。这一方法在距今约25.2亿年的岩石中识别出了光合作用的分子特征，将最早光合作用生命的生物分子特征向前推进了大约8亿年。

此外，这一模型还能够以95%的准确率区分了植物性生命与动物性生命。不过，由于在这个模型的训练数据中，相对缺乏动物的化石样本，因此在进行这类分类时要困难得多。这也是未来研究中有待改进的一个方向。

穿透时间迷雾的视线

这项研究的一个关键结论是：并不是所有的生命特征都那么容易被看出来，岩石年代越久远，生命信号就越难被探测到。

具体来说，年龄在5亿年以内的年轻岩石样仍保留着强烈的生物信号；对于年龄在5亿年至25亿年的岩石来说，AI大约在三分之二的情况下能识别出生命特征；但在年龄超过25亿年的岩石中，仅有47%的样本保留了可检测到的生命证据。

而且，对于每一个样本，模型不仅给出“生命”或“非生命”的判断，还会给出一个概率评分。如果某个样本在“生物来源”这一项上的概率高于60%，就被视为“强有力的信号”。

不过，这种置信度还达不到理想中的水平，只有当样本在统计上明显区别于非生物材料时，才会将其判定为生物来源。但研究人员表示，这一不足将随着研究人员用更多样本来充实AI的训练数据而得到改善。

对科学研究和太空探索的意义

这些结果表明，将机器学习应用于高度降解的有机物，可以帮助解决关于地球“深时”生命演化的一些长期争论。并且这种方法有望在寻找地外生命的过程中同样发挥作用。

如果AI能够在历经数十亿年的地球岩石中识别出生物“指纹”，那么同样的技术也可能适用于火星岩石，甚至来自木星冰封卫星——木卫二——的样本。研究人员正迫不及待地希望能在地外样本上测试这一系统。

不过，研究人员也表示，还需要更大、更加均衡的样本数据，特别是更多动物化石以及更多样化的非生物材料。接下来，他们计划进一步优化模型，探索不同类型的机器学习方法，并在地球上类似火星环境的沙漠岩石中测试这一思路。

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图&首图：Andrew Czaja

太阳、地球、生命的起源

［法］米里埃尔·加尔戈、埃尔韦·马丁、普里菲卡西翁·洛佩-加西亚 等/ 著

冷伟、梁鹏、林巍 等 / 译

后浪科学，2025.2

本书改编自特刊书《从太阳到生命：地球生命起源编年史》，由二十多位国际专家合著，国内权威学者团队合译，是目前国内外天体生物学领域的经典之作。作者以追溯地球生命的起源为主线，将各学科领域近年来相关的研究成果整合在一起，从天体生物学视角重新审视了早期生命的起源这一古老的话题，按时间顺序讲述了使得地球孕育出生命的14个重大事件：太阳诞生、地球形成、晚期重轰击、最早生命形式的出现……阅读本书，读者将依次化身为天文学家、地质学家、化学家、生物化学家、生物学家，重构从45.7亿年前太阳系形成之初至5.4亿年前的寒武纪大爆发这段时期的地球起源和地球生命诞生的故事。

复杂生命的起源

[英] 尼克·莱恩/ 著 ， 严曦 / 译

后浪科学，2020.11

地球生命在地球形成约5亿年后就已出现，然而在这之后的20亿年内，生命一直停滞在简单的细菌水平。在大约20亿~15亿年前，一种拥有精细内部结构和空前能量代谢水平的复杂细胞一跃而出。这份复杂性遗传给了大树和蜜蜂，也遗传给了人类中的你和我。我们与蘑菇有着天壤之别，但在显微镜下观察到的细胞又如此相似。从有性生殖到细胞衰老再到细胞凋亡，复杂生命共有的一套细胞特征在不同的物种间有着惊人的相似程度。生命为什么是现在这个样子？在40亿年的漫长岁月中，从简单的细菌到令人敬畏的复杂生命，这样的演化飞跃事件为何只发生了一次？不得不承认，在生物学的核心地带，横亘着一个巨大的认知黑洞。

生命究竟为何沿着这么令人困惑的路径演化？生物化学家尼克·莱恩从生物能量角度，交给了我们一把有望解开生物起源之谜的钥匙。怪异的生物能量生产机制从各方面限制了细胞，而一次罕见的一个细菌入住到一个古菌体内的内共生事件，打破了这些限制，使得复杂细胞的演化成为可能。看似偶然发生的单次事件，却因为能量的约束而必经一种演化历程，许多最重要也最基础的生命特征，也由此可以通过基本的生物化学规律进行推断。我们在演化过程中取舍权衡生殖力和年轻时的健康，换来衰老和罹患疾病的代价。生命的起源、人类的健康乃至生死，都可以从能量角度重新发问。