来自 量子杂志 （在此查找原始报道）。
保罗·克瑙斯戴着手套，拄着手杖，艰难地攀登死亡谷国家公园黑山中一条陡峭的岩石峡谷，以便在崎岖的碎石中行走。下面的沙漠地面是地球上最热的地方，但在二月下旬，野花开始从微小的裂缝中发芽。我们小心翼翼地走着，以免危及它们脆弱的生命——或者我们的四肢。
最后，我们到达了这片荒凉地形中的目的地：一个大约有 7.5 亿年历史的洞穴，这个洞穴是亚利桑那州立大学的地球化学家和地质学家，69 岁的 克瑙斯 和已故的古生物学家罗伯特·霍罗迪斯基在二十年前偶然发现的。洞穴的形状印在白云岩的墙壁上；它足以容纳一个人，但里面却塞满了细粉状的石英。科学家们在寻找微化石时发现了这个洞穴，以支持他们当时激进的理论，即微生物生命在十多亿年前就在陆地上蓬勃发展。在退休之前，克瑙斯希望将这个洞穴中的微化石添加到支持他的进化模型的证据中。
根据普遍的观点，在 5.4 亿年前的海洋中发生被称为寒武纪大爆发的事件之后，陆地才是一片毫无生气的、受辐射的岩石架，那时，有根植物和动物的祖先从海洋中爆发出来，开始在陆地上殖民。克瑙斯长期以来一直带头挑战这种说法，他说，这种说法受到了化石记录的偏见。海洋化石受到海洋沉积物层和海洋深处的平静保护。陆地化石更有可能在古生物学家有机会发现它们之前，就被不断变化的气候和侵蚀所粉碎。
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因此，化石记录严重倾向于海洋，使其看起来像是生命的摇篮。
根据克瑙斯的说法，幸存的陆地化石最有可能微小且隐藏在“地质时间胶囊”中，例如死亡谷洞穴，该洞穴经受住了火山、冰川和大陆板块的碰撞。在过去的一万年中，雨水冲刷周围的景观，将这个 7.5 亿至 8 亿年的地质构造——贝克泉白云岩——切开。在 1990 年代初期，克瑙斯分析了这个 1000 英尺厚的白云岩表面的地球化学特性。他的结果表明，早在寒武纪大爆发之前，该地区就充满了光合作用的单细胞生命体。
更具说服力的是克瑙斯和他的同事们从白云岩贫瘠表面上散布的古老洞穴中发掘出的微化石。总而言之，地球化学和微化石的发现支持了他的理论，即在前寒武纪，复杂的生命形式不仅在海洋中进化，而且在陆地上进化。事实上，正如克瑙斯自 1985 年以来在《科学》、《自然》和其他期刊上发表的一系列论文中所论证的那样，动物可能起源于淡水湖泊、河流和小溪，而不是含盐量高、缺氧的海洋。
近 30 年后，该领域终于赶上了他的步伐。在过去五年中，许多研究人员报告了大量的地球化学和微化石证据，表明早在 22 亿年前，生命就已在大陆上存在。
加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学的地球微生物学教授兼《地球生物学》期刊的编辑 库尔特·康豪瑟 说：“克瑙斯的工作具有启发性。” “他为我们其他人打开了大门，让我们去寻找前寒武纪陆地生命的证据。”
虽然许多古生物学家现在接受克瑙斯的前提，即在前寒武纪期间，简单的单细胞生命形式存在于陆地上，但其他人则对他更激进的提议感到退缩，即复杂的多细胞生命，甚至动物生命，也在 6 亿多年前在陆地上繁荣发展。在我们攀登洞穴的前一天晚上，在野外篝火旁，说话轻声细语的克瑙斯坦言，他喜欢挑战科学界流行的范式，并计划继续这样做。“在我年老的时候，我对人们封闭思想，盲目追随任何华而不实、过于简单的潮流感到非常失望，”他说。“但是，如果你从岩石开始，并向上推导出一个解释，它通常会揭示一个并非流行的现实。”
克瑙斯本可以从野外工作中退休，但好奇心驱使他继续攀登死亡谷和西南部其他地区的炎热、干燥、崎岖的山脉。他兴高采烈地寻找更多的洞穴，希望找到确凿的原始动物化石证据，这些动物曾经以他所说的在前寒武纪覆盖大陆的茂盛的绿色单细胞生物垫为食。
“一只石化的臭虫将结束这场争议，”他笑着说。
侵蚀范式
大约在 7.5 亿年前，贝克泉白云岩诞生了，当时，1000 英尺厚的碳酸钙镁层沉降在罗迪尼亚边缘的浅海环境中，这是一个正在分裂成碎片的超级大陆。巨大的碳酸盐块从海中升起，在炎热潮湿的气候下变成了陆地。在一个被称为岩溶化的地质过程中，酸雨将碳酸盐岩雕刻成一个由坑洼、天坑和洞穴组成的迷宫，包括我们这次访问中徒步前往的洞穴。
美国密西西比河以东约 60% 的土地正在经历岩溶化，使其类似于一种多孔的瑞士奶酪。但是植被和湖泊通常会遮挡住我们视野中的这些地质构造。在西南部干旱的沙漠中，喀斯特地形更容易被发现，即使它们更加古老并且已经风化。我们在前往洞穴途中穿过的峡谷穿过了一块巨大的白云岩，这种黄褐色到粉红色的岩石在脚下会碎裂。古老的喀斯特坑可以从最近被侵蚀的洞穴中区分出来，因为它们是在形成时掉落其中的石英碎石堆。
克瑙斯在 1980 年代开始探索沙漠喀斯特地形，当时他是一位年轻的地质学教授，在亚利桑那州立大学建立他的实验室。他已经是分析岩石中保存的有机物地球化学迹象的专家。关键在于岩石的原子组成；利用阳光获取能量的生物体吸收一种较轻的碳版本，称为碳 12，而不是较重的碳 13。这意味着曾经存在光合作用生命的区域比贫瘠区域的碳 13 含量略低。
令他们非常惊讶的是，克瑙斯和他当时的研究生马克·比尤纳斯发现，在亚利桑那州中部一个名为梅斯卡石灰岩的 12 亿年前的沙漠喀斯特地形显示出前寒武纪生命的地球化学迹象。“这令人惊讶，因为根据所有教科书，前寒武纪的陆地完全是贫瘠的，”克瑙斯说，他在 1985 年发表了地球化学 研究结果。
虽然克瑙斯的同行没有质疑他的研究结果的准确性，但他关于陆地生命比寒武纪早 6.6 亿年的结论却受到了沉默。“寒武纪大爆发在 30 年前就有一个范式锁定，”克瑙斯说。“大多数古生物学家几乎都无法想象我发现的东西甚至可能是真的。”
为了获得更多证据来支持他具有挑战性的范式的主张，克瑙斯在死亡谷寻找生命迹象，对贝克泉白云岩顶部一条不寻常的黑色石英山脊进行了采样。回到实验室后，地球化学分析显示碳 13 的含量较低；他得出结论，那里曾经生活着很多光合作用生物。而且，在存在生命地球化学迹象的地方，也可能存在微化石。
克瑙斯、霍罗迪斯基和学生 雷·肯尼 花了三年时间穿越贝克泉白云岩和梅斯卡石灰岩的危险陡坡，收集他们希望包含微化石的岩石。他们经常在沙漠篝火旁筋疲力尽地睡着，衣服和靴子被锋利的岩石撕碎。
他们把在沙漠中获得的宝藏运回实验室，用金刚石锯将岩石样本切成薄的、透光的切片。透过显微镜观察，他们检测到数十条丝状物和球体，他们将其鉴定为矿化细胞。随着时间的推移，他们在沙漠中的游荡产生了名副其实的微化石动物园。在 7.5 亿至 12 亿年前，它们是迄今为止发现的最古老的陆地化石。霍罗迪斯基和克瑙斯在 1994 年的《科学》杂志上 报道了他们的里程碑式发现。
波士顿学院的古生物学家 保罗·斯特罗瑟 说：“克瑙斯对古喀斯特地形的地球化学分析是证明前寒武纪陆地生命存在的先驱研究。”
前寒武纪的琥珀
贝克泉地层在我们面前延伸开来，棱角分明，灰尘扑扑，几乎没有生命迹象。但在克瑙斯看来，它的表面曾经是闪闪发光的绿色，覆盖着进行光合作用的细胞、蓝藻和藻类。这些简单的生物将阳光转化为能量和氧气，留下了碳 13 的明显踪迹。雨水冲刷了地表厚厚的湿润的活细胞垫，有时将单个细胞拉入喀斯特化的洞穴中，在那里它们被困在碎石之间。水中的铁附着在被困住的、腐烂的微生物群上，使结构变硬。新的化石逐渐被在碎石之间生长的微小结晶二氧化硅（石英）缝隙包裹，将它们粘合在一起。
克瑙斯称这种水泥为“前寒武纪的琥珀”。
范式很难推翻，但没有人驳斥克瑙斯在 1985 年首次提出的基本科学论点，而且他一直在不断完善它。因此，关于大陆在寒武纪大爆发之后才出现生命的普遍假设一直在稳步瓦解。
加州大学圣塔芭芭拉分校的地球生物学家 斯坦利·阿夫拉米克 说：“仅仅在过去五年里，这个 20 年前的发现才开始强烈影响该领域。” 像斯特罗瑟这样的研究人员已经开始找到更多证据表明存在前寒武纪的陆地化石。
地球化学和遗传技术的进步在一定程度上促使人们对在寒武纪前陆地上寻找微生物生命产生了浓厚的兴趣。“人们现在意识到，存在着一个微观的地面生物世界，它们没有留下像海洋生物那样容易被发现的大量化石，”克纳思说。“而且，在火星沙漠中寻找生命痕迹的行为也提高了研究人员在严酷的、非海洋环境中发现原始地球生命形态的兴趣，”他观察到。
在克纳思看来，低水平的碳13（古代光合作用生物的地球化学幽灵）与细胞状微化石共存的最简单解释是，在寒武纪前，陆地上存在大量的生命。他以前离奇的理论现在已被地质生物学家广泛接受。“克纳思的微化石是寒武纪前陆地生命存在的切实证据，”弗吉尼亚理工大学和州立大学的地质生物学家肖书海说。
寒武纪前的丛林
克纳思的进化模型远不止于揭穿大陆的荒芜。据他称，居住在死亡谷和亚利桑那州的生物量与现在生长在巴哈马群岛和西印度群岛的生物量相当。其他科学家对这些岛屿的地质进行的研究支持了这一观点。这些热带岛屿目前正在经历与近十亿年前贝克泉白云岩相同的塑造过程，它们具有相似的碳特征。
“死亡谷曾经像今天的巴哈马群岛一样，到处都是茂盛的光合作用生物，”克纳思说，当时我们在正午的阳光下将热水滴到舌头上。
他还确信，多细胞的吸氧生物（现代动物的祖先）很可能生活在并以光合作用微生物为食，这些微生物向大气中排放了数百万吨的氧气。事实上，克纳思认为，这些寒武纪前期的动物（称为后生动物）并不是在海洋中生命寒武纪大爆发后数千万年才开始在陆地上定居的，而是可能发生了相反的情况：陆生动物爬入海洋，孕育了带有外壳的海洋后生动物。
2005年，克纳思发表了一篇地球化学论文，表明寒武纪前期的海洋是炎热且超级咸的，只适合能承受盐和硫化氢的微生物生存。由于盐和氧气在溶液中不能很好地混合，这对吸氧生物来说是一个不宜居住的气候。随着大陆板块的碰撞，一些海洋被困在浅层的隆起盆地中。大量海水蒸发，留下了大量的盐，这些盐被封存在陆地上。结果，海洋的盐度水平直线下降，使得海洋可以吸收更多的氧气。现有的海洋微生物群中毒或被驱赶到更深的水域，留下了一个空缺的生态位。
与此同时，克纳思推测，利用氧气的后生动物可能在寒武纪后期，在由雨水、湖泊、溪流和河流保持水分的光合作用生产者形成的潮湿地垫上进化而来。换句话说，富含蛋白质的光合细菌和藻类地垫将成为大型生物（如水熊虫，一种以细菌为食的微观动物）的绝佳食物来源。克纳思希望在他最近一轮对死亡谷和澳大利亚西部的考察中找到此类生物的化石证据。
2009年，克纳思和加州大学河滨分校的马丁·肯尼迪对来自全球的数千份地球化学记录进行了荟萃分析，这让他们较为保守的同事感到震惊。他们报告了更多证据，表明早在8.5亿年前，以光合作用藻类、苔藓、真菌和其他生物为主的陆地大爆发很可能使大陆变得绿意盎然，并促进了多细胞生命（包括动物）的全球扩张，这为克纳思的逆寒武纪大爆发模型提供了更多的地球化学依据。
这个观点仍然存在很大争议。一些同意克纳思的观点，认为寒武纪前陆地被微生物群覆盖的古生物学家不相信早期动物或它们的祖先一定潜伏在那些细菌丛林中。“动物不可能在寒武纪大爆发之前在陆地上进化，”阿弗拉米克说，他指出克纳思的理论没有得到确凿的化石证据的支持。然而，考虑到新的化石发现有着打破曾经看似显而易见的范例的历史记录，他对这个问题持开放态度。
但正如他早期的理论一样，早期陆生动物的证据开始不断积累。在2011年的一篇《自然》论文中，斯特罗瑟和他的合作者报告了直接证据，表明多细胞结构可能在10亿年前就已在淡水陆地环境中占据主导地位，比寒武纪大爆发早了5亿年。
蒙大拿大学的卡琳·布兰克去年发表的一项研究表明，今天蓝细菌的基因组看起来像是从20多亿年前居住在陆地湖泊、河流和溪流中的早期生命进化而来的。此外，寒武纪前的化石记录表明，早期的微生物有机体适应了陆地压力，例如，开发了一种“乳液”来屏蔽太阳辐射。这与认为贫瘠的地形和紫外线会阻止寒武纪大陆上生命进化的假设相反。
去年，俄勒冈大学的古植物学家格雷戈里·雷塔拉克及其合作者进一步推迟了陆地生命的出现时间，报告说，在南非出土的陆地微化石可能早至22亿年前。这将打破克纳思之前12亿年的记录。
雷塔拉克将生命仅起源于海洋的观点归因于希腊哲学家阿那克西曼德，他被爱琴海中生物的多样性所震惊，声称人类是从鱼的嘴里进化而来的。“如果阿那克西曼德手头有显微镜，他肯定不会那么肯定，”雷塔拉克打趣道。
随着来自古科学各个角落的寒武纪期间陆地生命的证据不断涌入，具有反传统思想的克纳思受到启发，继续研究这个他20年前帮助点燃的迫切问题。他正准备探索澳大利亚沙漠中一个炎热、苍蝇成群的十亿年前的遗址，寻找转瞬即逝的小化石。
在我们开始危险的峡谷徒步旅行之前，克纳思若有所思地看着峡谷墙上的一个洞。“我们永远不会确切知道遥远的过去发生了什么，因为我们不在那里，”他说。“但正如夏洛克·福尔摩斯所说，通过排除不可能的，科学正在接近可能。而最有可能发生的事件通常是对手头事实的最简单解释。”
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