開天闢地 (四)：Jack Hills 鋯石的神秘驚奇 – 地球生命的初始現身時間？

地球初始生命是如何以及何時出現的，大概是地球科學研究工作上挑戰度最高的問題之一，也引領了許多地球科學家窮盡畢生去追尋解答。即使經過了數十年來分析技術大幅的進展，我們對這兩個問題的解答，仍有相當的侷限與不確定性。然而，生命於地球的出現與繁衍，是具有重要的意義，即大氣與海洋的成分甚至岩石循環，從生命初始出現的時間點之後，就不單純受控於地球內部的營力，並與生物作用息息相關；生命的初始出現同時開啟了至今如此複雜多樣的生物演化過程，更是地球與其他星體重要的分野。

若我們先暫時跳開生命的起源這問題，至今對生命初始出現於地球時間點，最為強而有力的觀察證據，即為疊層石的紀錄。疊層石的形成是透過生物膜的發展，將沉積顆粒膠結成層狀的結構，現生疊層石的分布局限於熱帶的淺海，例如巴哈馬、西澳 (圖一)，野外的實察可觀察到氧氣氣泡的釋出，分子與光譜的分析則顯示，於疊層石上的生物組成包括藍綠菌與複雜的異營菌種組成。其分布、氧氣的釋放、生物組成等證據，指示了疊層石的出現代表陽光得以穿透的熱帶淺海環境，並需要光合作用生物的參與。目前於地層紀錄中的疊層石，可以追朔至約 34 億年以前，利用這樣的類比，我們得以推論地球生物存在的時間，至少可達 34 億年之久。

圖一、於西澳鯊魚灣的現生疊層石 (Paul Harrison 攝影，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=714512)

地球科學家當然不會就此滿足，因此過去有許多透過奈米、微米尺度型態的觀察、地球化學分析的研究，進而推測此初始時間可以進一步推前至 35 甚至 38 億年；然而型態的證據並無法代表獨一無二的生物存在指標，實驗室中的合成實驗證實，無機的礦物形成，也可能產生類似的型態；化學指標的獨特性同樣受到一些反例的挑戰。與其他研究早期地球的環境變遷或地體構造運動所面臨的挑戰相同，地層紀錄的殘缺，往往造成了年代紀錄的缺失，後期岩漿活動、變質作用與熱液循環，更破壞了特定時間沉積岩紀錄與生物訊號的保存，增加了研究早期地球生物特徵的困難度。

位於西澳 Jack Hills 的鋯石為研究早期地球最好的素材之一。其中最為人熟知的成果，便是於 2001 年兩個研究團隊 (Mojzsis et al., 2001; Wilde et al., 2001)，分別針對了這些年代達 30 億年的變質礫石中分離出來的鋯石進行分析，結果顯示其鈾鉛年代可達 44 億年，並含較高的氧同位素成分 (>5‰)。這些結果指示著鋯石的形成，必需先有沉積物被循環至地函，再發生部分熔融、產生岩漿，才足以產生這樣同位素成分的鋯石；因此於 44 億年前，地表便必須有水的存在，透過風化、侵蝕、沉積，產生沉積岩，才得以解釋 Jack Hills 鋯石的化學訊號。由於生物的生存必須要有水的存在，因此這些結果也提供了證據，做為生命初始出現於地球年代的上限。

為了進一步確認生物初始出現於地球的時間，是否可以推前至 40 億年前， Bell 等人 (2015) 利用 Jack Hills 鋯石年代足夠老、密封度好的特性，嘗試搜尋鋯石內部是否保有生物作用的訊號。這個工作的概念是建築於鋯石是形成於高溫環境，一旦結晶後，除了部分鋯石因為高含鈾量的放射性可能造成的晶格破壞以外，其堅固的晶格特性，可以使得形成環境的化學特徵被妥善的保存於礦物晶體內；構成生物的主要元素之一為碳，因此若針對鋯石內部搜尋是否有含碳的包裹體存在，配合定年的分析，便可能推測含碳物質的最小形成年代。除此之外，碳同位素可用於指示含碳物質的成因；過去 35 億年的沉積岩紀錄裡，有機質碳同位素成分都分布於 -35 ~ -15‰ 間，這些有機質主要源於光合作用生物的遺骸，而這樣長時間穩定的碳同位素成分，有別於碳酸鹽礦物或是地函物質的碳同位素成分 (-5 ~ 0‰)，因此可以用於代表生物的化學標記。因此，若能分析鋯石含碳包裹體的碳同位素成分，便足以進一步推論這些含碳物質的成因與最低形成年代。

Bell 等人首先搜尋了超過 10,000 顆分離自 Jack Hills 的鋯石，發現了其中 656 顆鋯石鈾鉛年代大於 38 億年、並可能含有石墨質的包裹體；進一步的觀察發現其中 79 顆鋯石的包裹體為不透明的，經過拉曼光譜的分析，確認有兩顆鋯石的包裹體為部分不規則的石墨 (partially disordered graphite)；其中一顆鋯石的包裹體遠離任何晶體裂隙，因此不可能源於人為處理所造成的汙染。這顆鋯石的鈾鉛年代為 41 億年，經由離子束 (focused ion beam) 的剝離，將此包裹體曝露出晶體，並利用次級離子質譜儀 (secondary ion mass spectrometry) 進行分析，得到其同位素成分為 -24±5‰。

我們是否可以直接下了個結論，41 億年前海洋中的生物遺骸，隨著沈積岩透過某種形式的地體運動循環至地函，這些物質與化學訊號受到部分熔融作用進入鋯石的晶體，產生今天觀察到的石墨包裹體與同位素訊號？答案可能沒有這麼簡單。隕石中有機質的碳同位素成分範圍可於正/負幾十 ‰ 間變化，因此只要隕石供應量足夠，且其含碳物質碳同位素值夠低，便足以產生如 Jack Hills 鋯石中石墨包裹體的碳同位素成份，從太陽系其他星體表面的隕石坑密度，可推測此時期也為隕石撞擊地球高頻率的時期。另外，透過實驗室的合成實驗，發現於高溫環境透過無機作用產生的有機化合物，亦具備較為低的同位素成份。當然什麼機制能造成如此低比例的低碳同位素成份，或其他含碳包裹體的同位素成份分佈範圍為何，亦值得深入探討。

篩選一萬多顆鋯石的種種特徵，進而解析其中一顆鋯石的詳細化學，大概不是太多人具備的執著，更沒有太多實驗室足以提供這樣的資源；不論如何， Jack Hills 鋯石中的石墨包裹體提供了生物初始出現於地球時間點的可能證據，更讓我們對早期地球生物圈的特徵有了更多的想像。

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