为了搞清进化,科学界的专家们多在寻找物种变化的迹象。古生物学家通过寻找化石,将古生物与现在尚存的生物进行比较。生物学家在探索植物、动物的群体过程中,当偶尔发现一种分裂成为两种时显得异常激动。化学家和分子生物学家通过模拟生命起源,使一些实验性的结果有了可比较时便十分高兴。

然而,威廉 · 斯科普夫(J. William Schopf)最感兴趣的却是生物的无变化现象。这位加州大学洛杉矶分校的古生物学家于30年前发现:10亿年前的藻青菌(blue-green bacteria)化石和它们现代的微生物后代——在不流动的水上常常形成一活的薄膜——具有明显的相似性。

“看上去它们与现代的微生物简直就没有差别 ”,斯科普夫回忆。

那时,由于研究人员发掘出的古老的化石太少,因此几乎无人知道这种相似性。“然后这问题变成:这种现象是不是普遍存在?”

现在,通过研究对比全世界的有关资料,斯科普夫和其他专家推论,现代池塘中的浮垢和古代的藻青菌几乎没有什么差异。”不同时代的化石这种形态上的相似性是普遍的”,斯科普夫说。

他列举了3000次这样的化石发现作证,这些化石可分成300种,其中的90%与现代的相似。这些保存下来的标本无论是在个体大小上、形态上 · 还是组织上,甚至在群体结构上也和现代的细菌相同,今年2月在旧金山召开的美国科学进展协会年会上他对此作了报告。数十亿年前,这些细菌细胞甚至和今天的细菌一样分裂——无性繁殖。

“代代相传,几乎没变”,斯科普夫强调。

这种没有变化的现象促使他重新考虑进化是怎样进行的。

大约50年前,进化研究人员是根据进化的快慢来划分生物种类的。当时认为,不同的环境可能产生不同的变化率。最慢的进化种类有鲎(horseshoe crabs)、鳄(crocodiles)、空刺鱼类的鱼(coelacanth fish),这些都和它们的1亿年前的古老祖先相同。

当时,那些科学家并不知道藻青菌(还可以写成Cuanobacteria)。“生命化石的发现表明,生命出现的时间现在向前延长了6倍”,斯科普夫说。他认为,这些细菌属于进化更慢的种类——也可以说,它们进化停止了。”我肯定地说,它们停止了进化”,他告诉《科学新闻》。

有进化就说明遗传发生了变化。因为有性繁殖包括了两生物体的基因结合,DNA的新的结合便更容易,从而加速了进化过程。而无性的生物是在没有交配的情况下进行繁殖的,藻青菌依靠自身突变来繁殖,因此进化更慢。

但是,斯科普夫认为,这些微生物防止变化的能力更强些,最明显的是它们能够抵抗X射线、紫外线,甚至还能抵抗γ射线,这些微生物具有难以置信的有效的DNA修复机制,因而它们的突变固定了下来。

“进化在这里是保守的,不需要的”,他解释,“这种生物完全适应了多种不同的环境,它们没有变化,它们的DNA建立了一种机制:当(遗传)变化发生时,以便得到纠正。”

确实,现在已知任何地方都能找到藻青菌。地球早期恶劣的大气层迫使它们成为自给自足者。它们利用阳光将二氧化碳转变成有用的能量,并且具有利

用水或者硫化氢——像现代植物一样——的生物化学功能。它们还能利用空气来固氮。在藻青菌的早期,由于它们能够利用水——产氧的副产品,使得它们在后来出现的其它微生物新陈代谢的干预下,它们仍处于竞争优势。”这是一场微生物的气体大战”,斯科普夫说,“它们是世界环境的首批污染源

在那些日子里,藻青菌占领了所有的地方,成为优秀的生态能手,斯科普夫说。甚至在今天,这些微生物还是无处不在的,在热泉里,在雪地里,在难以置信的酸水、碱水、盐水、纯水中,在岩石里,在沙漠中,在氧少、无氧,直至超氧的环境中,甚至在无光(它们需要进行光合作用)的环境中也能长期生存下去。

“由于作为一个群体,它们没有灭绝,因此,我认为它们没有进化”,斯科普夫补充道。

并不是人人都同意这一观点:这些微生物完全取消了遗传密码上的变异。“事实上变化发生过”,波士顿大学的进化生物学家斯铁普科 · 戈卢比克(Stjepko Golubic)反驳道,“也就是说,它们也有过进化,只不过后来基因型冻结了。”在为他的观点取证时,他指出了实验室里的藻青菌的进化特征。

戈卢比克和他的同事们将化石和现代迭层——由藻青菌形成了白垩圆盘和白垩圆柱——进行了比较。

对比后表明,在这两个时期,这些微生物在潮间带的海岸边生长旺盛,并且为防晒产生了色素。“它们的生态、形态没有变化”,戈卢比克断定,“但是,基因型变化的程度仍然是个问题。”

斯科普夫承认,单从外貌上看可能说明不了什么问题。这些细菌可能保持了它们通常的结构,也可能进化成在生物化学上很不相同的微生物。但是,他认为它们没有变化。现在地球上的藻青菌还和寒武纪前的藻青菌一样。碳同位素记录表明,现在的藻青菌所进行的光合作用还和以前的一样。而且,现在的藻青菌的新陈代谢途径也没有变。这些都表明,它们的生物化学没有发生变化。

斯科普夫对于藻青菌的研究结果,导致他认为25亿年前~5亿年前这一段时间内是一独特的进化时期,也就是说,这一时期的变化模式和发展速度都是独特的。

至今,研究人员对于进化的研究主要还是放在近5亿年以来的调查上。然而,“这是一个进化迅速的时期”,斯科普夫说。绝大多数种类持续不了800万年就会灭绝。在这期间,这些将要灭绝的生物和其它尚存的生物生活在各自的环境之中。不幸的是,当条件发生变化时,大多数生物不能很快地适应新的环境而灭绝。而这些尚存的生物却能在恶劣的环境下很好地利用资源而存活下来。

对比之下,5亿年前之前出现的这些微生物却一直存活至今。当时主要是无性繁殖的微生物,特别是制氧的藻青菌更是无处不在。这些生长慢的能手们能够很快适应地球上的各种恶劣的环境。

然而,那些适应了古环境而存活下来的微生物最终还是发生了变化,形成了更为复杂的生命形式。这些新的生命形式可能超过了缓慢生长的藻青菌,并且占领了藻青菌的许多领地,斯科普夫说。因而,现在的藻青菌主要生活在不适宜生命存在的地方,如热泉里。

戈卢比克对藻青菌的解释却不是这样。只是因为这些微生物比其它“活化石”——鳄和其它类似的动物——持续时间要长2~10倍,并不是说它们遵循的是另外一套进化规则,他争论道。

他认为,不应把藻青菌单独归于恶劣的环境之中。但是,它们确实只生活在那些特别 的地方。然而到1979年,其他研究人员发现,在不冻洋里生活着大量的卵形的和圆形的藻青菌,有时竟达到每升1000万个的密度。除两极外,到处都有它们的伙伴,它们适应了富营养的水里,也能在无营养的水中生活,戈卢比克说。

这些微生物作为海里的其它海洋生物的最初食物占了20%,藻青菌的存在继续为这颗行星的食物链起着重要的作用,戈卢比克强调。

他还认为,这些微生物并没有拒绝其它的生活环境。也就是说,它们允许自己进化成为更为复杂的生物。遗传研究表明,所有的叶绿体——不管是树、草、蔓,还是藻——都携带着藻青菌的遗传特征。因此,他调查了今天仍然生活在世界各处的藻青菌,但是在那些更高级的微生物中,它们已经成为这些生物之中的一种。它们可能单独生活在非常差的环境中,这只不过是被更高级的生命形式赶了出来而已。

“世界上的任何绿色生物都起源于藻青菌”,他指出,“因此,谁说它们没有进化”。

[Science News,1994年3月12日]