本文摘自 《DISCOVER》特刊：进化。
大约在20亿年前，地球的进化似乎陷入了一种令人费解的低迷期。在整个地质年代中，生命的变化微乎其微，由在缺氧海洋中生存的顽强微生物主导。地质记录中这段时期的单调乏味促使科学家们将其戏称为“枯燥的十亿年”。但哈佛大学自然历史学和地球与行星科学教授安德鲁·诺尔（Andrew Knoll）认为，这个绰号并不公平。
在“枯燥的十亿年”期间，地球的海洋缺氧且富含剧毒的硫化氢。在这种严酷的条件下，生命是什么样的？
海洋中的大部分生物量会是细菌和古菌（另一类通常栖息在极端环境中的微生物）。这可能是厌氧光合作用细菌的黄金时代，它们利用硫化氢而非水来获取能量。有些细菌是单细胞的；有些则是多细胞的丝状体或片状体。我们也有微生物席的证据。海床上到处都是黏液。在这个时期，我们开始有真核生物（拥有细胞核的生物，像我们一样）的化石证据。但它们的种类并不多。真核生物充其量只能发挥有限的作用。
地球是如何变成这样的？
在地球历史的前20亿年里，大气和海洋中都没有氧气。这种情况在大约24亿年前开始改变。南丹麦大学的唐·坎菲尔德（Don Canfield）提出的最佳解释是，大气中少量氧气的积累导致大陆上的黄铁矿矿物氧化形成硫酸盐。河流将硫酸盐带入海洋，在那里某些细菌将其转化为硫化氢。
到大约18亿年前，我们开始看到海洋表面有少量氧气，但在表面之下，你经常会遇到硫化物，却没有氧气。我和我的同事们，哈佛大学的戴夫·约翰斯顿（Dave Johnston）和安·皮尔森（Ann Pearson）以及美国宇航局的费莉萨·沃尔夫-西蒙（Felisa Wolfe-Simon），推测包括硫化物光合作用在内的生物反馈循环，会倾向于维持这个氧气水平低、硫化物高的世界（在接下来的“枯燥的十亿年”里）。在这个时期，能够利用硫化氢进行光合作用的细菌过得非常滋润。但硫化物对真核生物来说通常是有毒的——其中大多数拥有线粒体（细胞内产生能量的结构）——因为它会抑制它们的呼吸能力。因此，这些条件可能抑制了真核细胞的扩张。
你怎么知道如此久远之前的生物是什么样的？
我们寻找合适年代的岩石，这可以通过测量其中夹杂的火山岩中的放射性铀同位素及其产物来确定，并研究它们的成分。在那里，你可以找到实际保存完好的生物化石。沉积岩中也保存有有机分子。DNA和蛋白质不易保存，但脂质（脂肪分子）可以，我们可以通过特征脂质来识别不同的生物。我们还寻找被称为叠层石的结构化石，这些是由微生物群落建造的礁。这些告诉我们很多关于海底生命分布的信息。
如果当时硫磺细菌的生存条件如此优越，为什么它们没有演化出更复杂的形态？
原核生物——细菌、古菌——可能缺乏演化出更复杂形态的遗传基础。真核细胞拥有非常复杂的基因调控模式，比细菌的相应系统复杂得多。这使得真核细胞能够演化成具有非凡结构和功能多样性的多细胞生物。细菌已经存在了近40亿年，但从未演化出接近真核生物复杂性的多细胞形态——甚至不像海绵，更不用说人类了。
你如何验证你对“枯燥的十亿年”时期生命的描述？
认为硫化物光合作用在“枯燥的十亿年”中发挥了重要作用的观点，是基于澳大利亚北部钻孔中的一个有限数据集，该数据集显示了与利用硫化物的细菌相关的色素分子。我们预测，当人们更彻底地评估这个年龄段岩石中的有机物质时，他们会看到这些分子化石分布得更广。
经过如此漫长的停滞期，进化是如何重新开始的？
很多人认为板块构造是生命进入新世界的催化剂。在“枯燥的十亿年”期间，你确实看到了一些构造变化，但没有像它开始之前和刚刚结束时那样大规模的陆地碰撞。大陆的裂解可能伴随着海底热泉活动的显著增加，海底热泉产生大量铁。如果富含硫化物的地下水持续对真核生物构成挑战，那么转向富含铁的地下水将消除这种挑战。
随着“枯燥的十亿年”结束，情况真的发生了变化。地球化学证据表明，我们从大约8亿年前开始失去硫化物水体。与此同时，古生物学告诉我们，真核生物正在多样化并在海洋大片区域扩张。分子证据表明，动物大约在这个时期开始分化。
现在出现了前所未有的碳循环的剧烈波动。我们经历了多次冰川作用，其中至少有两个似乎几乎覆盖了整个世界。氧气也开始上升，所以我们最终拥有了一个更像我们现在所熟知的世界。结束“枯燥的十亿年”之后的3亿年，可能是地球历史上最不平凡的3亿年。
所以，你会说“枯燥的十亿年”这个说法低估了这个时期吗？
非常是的。一个原因是，理解这个时期的稳定性可能比理解其之前和之后的变化更具挑战性。而且我们知道进化并没有停止。事实上，有理由相信，所有使复杂生命在下一个地质时代成为可能的细胞生物学特性，都是在这个时期奠定的：允许真核细胞改变形状的细胞骨架，以及允许细胞向细胞的一侧而不是另一侧发送分子信号，并与其他相邻细胞相互作用的细胞极性。今天使像我们这样复杂的生物得以存在的分子电路和串扰，都发源于所谓的“枯燥的十亿年”。
你最近的研究表明，在更晚近的时期，大约5亿年前，海洋也曾大量富含硫化物且缺氧。那时进化也变慢了。这是一种常规模式吗？
是的，但这种情况越来越少见。如果你看看过去6500万年，也就是所谓的“新生代”，我认为没有全球性广泛的地下缺氧的例子。在之前的“中生代”，从6500万年前到2.5亿年前，有六七次这样的海洋缺氧事件。它们短暂而剧烈。再往前追溯，在“元古代”，这类环境无处不在。随着时间的推移，它们从普遍存在、周期性出现、到罕见，再到消失——这进一步证明了我们生活在地球历史上一个不寻常的时期。
您是 火星探测车科学团队的成员。您认为地球的地质历史与火星有什么相似之处？
我们可以将我们在地球上研究古代岩石的经验应用于火星。美国宇航局的火星探测车使我们能够检查火星上35亿至40亿年前的沉积岩，这与我们研究地球古代地层的方式非常相似。我们了解到，在此期间火星表面曾有液态水，但其化学成分和短暂存在的时间会挑战任何已知生命形式。火星在其早期历史中曾更湿润，但我认为它成为一个像地球一样的蓝色行星的可能性微乎其微。我们对火星了解得越多，我越觉得它是一个与地球截然不同的行星。
所以您不认为我们会在火星上找到生命迹象？
并非不可能，但我不会为此押下重注。
