Jack Hills 鋯石的神秘驚奇– 地球生命的初始現身時間？

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 ... 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 ... CONTACT 聯絡我們 姓　　名 單　　位 職　　稱 聯絡電話 電子信箱 地　　址 意見內容 驗證碼 重填 送出 LOGIN 會員登入 記住帳號 忘記密碼 登入 星期五的地質 Fridaygeological 首頁> 地質新知> 星期五地質 2016-04-01 開天闢地(四)：JackHills鋯石的神秘驚奇–地球生命的初始現身時間？ 文字：林立虹(台灣大學地質科學系；[email protected]) 插圖：林佩禎(台灣大學地質科學系) 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(PaulHarrison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JackHills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(Mojzsisetal.,2001;Wildeetal.,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JackHills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JackHills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JackHills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(partiallydisorderedgraphite)；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(focusedionbeam)的剝離，將此包裹體曝露出晶體，並利用次級離子質譜儀(secondaryionmassspectrometry)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JackHills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，JackHills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。

主題資料來源： Belletal.(2015).Potentiallybiogeniccarbonpreservedina4.1billion-year-oldzircon.PNAS,112,14518-14521.doi:10.1073/pnas.1517557112. http://www.pnas.org/content/112/47/14518.abstract 其他參考資料來源： Wildeetal.(2001).EvidencefromdetritalzirconsfortheexistenceofcontinentalcrustandoceansontheEarth4.4Gyrago.Nature409,175-178. Mojzsisetal.(2001).Oxygen-isotopeevidencefromancientzirconsforliquidwaterattheEarth’ssurface4,300Myrago.Nature409,178-180. #地質學會#生物初始出現#早期地球#地質學會#台灣 #a #b #c **歡迎會員投稿，意者請逕行與學會聯絡**本著作係採用創用CC姓名標示-非商業性-禁止改作4.0國際授權條款授權 開天闢地系列文章 開天闢地(三)：太古大氣氧氣的變遷–底棲光合作用的氧氣綠洲 開天闢地(二)：從地球化學大數據看太古地殼的「崛起」 開天闢地(一)：太古地殼的濫觴–熱柱或隱沒？ 利用歷史生物地理學詮釋生物間斷分布的形成原因 回列表頁 既毀山又造山的冰河–造山作用的一刀兩刃