宠文网

万物简史英文版

宠文网 > 科普学习 > 万物简史英文版

19    THE RISE OF LIFE

书籍名:《万物简史英文版》    作者:比尔·布莱森
    《万物简史英文版》章节: 19    THE RISE OF LIFE,宠文网网友提供全文无弹窗免费在线阅读。!


Press  reports  of  the  time  made  it  sound  as  if  about  all  that  was  needed  now  was  forsomebody  to  give  the  whole  a  good  shake  and  life  would  crawl  out.  As  time  has  shown,  itwasn’t  nearly  so  simple.  Despite  half  a  century  of  further  study,  we  are  no  nearer  tosynthesizing  life  today  than  we  were  in  1953  and  much  further  away  from  thinking  we  can.

Scientists  are  now  pretty  certain  that  the  early  atmosphere  was  nothing  like  as  primed  fordevelopment  as  Miller  and  Urey’s  gaseous  stew,  but  rather  was  a  much  less  reactive  blend  ofnitrogen  and  carbon  dioxide.  Repeating  Miller’s  experiments  with  these  more  challenginginputs  has  so  far  produced  only  one  fairly  primitive  amino  acid.  At  all  events,  creating  aminoacids  is  not  really  the  problem.  The  problem  is  proteins.

Proteins  are  what  you  get  when  you  string  amino  acids  together,  and  we  need  a  lot  of  them.

No  one  really  knows,  but  there  may  be  as  many  as  a  million  types  of  protein  in  the  humanbody,  and  each  one  is  a  little  miracle.  By  all  the  laws  of  probability  proteins  shouldn’t  exist.

To  make  a  protein  you  need  to  assemble  amino  acids  (which  I  am  obliged  by  long  tradition  torefer  to  here  as  “the  building  blocks  of  life”)  in  a  particular  order,  in  much  the  same  way  thatyou  assemble  letters  in  a  particular  order  to  spell  a  word.  The  problem  is  that  words  in  theamino  acid  alphabet  are  often  exceedingly  long.  To  spell  collagen,  the  name  of  a  commontype  of  protein,  you  need  to  arrange  eight  letters  in  the  right  order.  But  to  make  collagen,  youneed  to  arrange  1,055  amino  acids  in  precisely  the  right  sequence.  But—and  here’s  anobvious  but  crucial  point—you  don’t  make  it.  It  makes  itself,  spontaneously,  withoutdirection,  and  this  is  where  the  unlikelihoods  come  in.

The  chances  of  a  1,055-sequence  molecule  like  collagen  spontaneously  self-assembling  are,frankly,  nil.  It  just  isn’t  going  to  happen.  To  grasp  what  a  long  shot  its  existence  is,  visualize  astandard  Las  Vegas  slot  machine  but  broadened  greatly—to  about  ninety  feet,  to  be  precise—to  accommodate  1,055  spinning  wheels  instead  of  the  usual  three  or  four,  and  with  twentysymbols  on  each  wheel  (one  for  each  common  amino  acid).

1How  long  would  you  have  topull  the  handle  before  all  1,055  symbols  came  up  in  the  right  order?  Effectively  forever.  Evenif  you  reduced  the  number  of  spinning  wheels  to  two  hundred,  which  is  actually  a  moretypical  number  of  amino  acids  for  a  protein,  the  odds  against  all  two  hundred  coming  up  in  a1There  are  actually  twenty-two  naturally  occurring  amino  acids  known  on  Earth,  and  more  may  await  discovery,but  only  twenty  of  them  are  necessary  to  produce  us  and  most  other  living  things.  The  twenty-second,  calledpyrrolysine,  was  discovered  in  2002  by  researchers  at  Ohio  State  University  and  is  found  only  in  a  single  type  ofarchaean  (a  basic  form  of  life  that  we  will  discuss  a  little  further  on  in  the  story)  called  Methanosarcina  barkeri.

prescribed  sequence  are  1  in  10260(that  is  a  1  followed  by  260  zeroes).  That  in  itself  is  a  largernumber  than  all  the  atoms  in  the  universe.

Proteins,  in  short,  are  complex  entities.  Hemoglobin  is  only  146  amino  acids  long,  a  runt  byprotein  standards,  yet  even  it  offers  10190possible  amino  acid  combinations,  which  is  why  ittook  the  Cambridge  University  chemist  Max  Perutz  twenty-three  years—a  career,  more  orless—to  unravel  it.  For  random  events  to  produce  even  a  single  protein  would  seem  astunning  improbability—like  a  whirlwind  spinning  through  a  junkyard  and  leaving  behind  afully  assembled  jumbo  jet,  in  the  colorful  simile  of  the  astronomer  Fred  Hoyle.

Yet  we  are  talking  about  several  hundred  thousand  types  of  protein,  perhaps  a  million,  eachunique  and  each,  as  far  as  we  know,  vital  to  the  maintenance  of  a  sound  and  happy  you.  Andit  goes  on  from  there.  A  protein  to  be  of  use  must  not  only  assemble  amino  acids  in  the  rightsequence,  but  then  must  engage  in  a  kind  of  chemical  origami  and  fold  itself  into  a  veryspecific  shape.  Even  having  achieved  this  structural  complexity,  a  protein  is  no  good  to  you  ifit  can’t  reproduce  itself,  and  proteins  can’t.  For  this  you  need  DNA.  DNA  is  a  whiz  atreplicating—it  can  make  a  copy  of  itself  in  seconds—but  can  do  virtually  nothing  else.  So  wehave  a  paradoxical  situation.  Proteins  can’t  exist  without  DNA,  and  DNA  has  no  purposewithout  proteins.  Are  we  to  assume  then  that  they  arose  simultaneously  with  the  purpose  ofsupporting  each  other?  If  so:  wow.

And  there  is  more  still.  DNA,  proteins,  and  the  other  components  of  life  couldn’t  prosperwithout  some  sort  of  membrane  to  contain  them.  No  atom  or  molecule  has  ever  achieved  lifeindependently.  Pluck  any  atom  from  your  body,  and  it  is  no  more  alive  than  is  a  grain  of  sand.

It  is  only  when  they  come  together  within  the  nurturing  refuge  of  a  cell  that  these  diversematerials  can  take  part  in  the  amazing  dance  that  we  call  life.  Without  the  cell,  they  arenothing  more  than  interesting  chemicals.  But  without  the  chemicals,  the  cell  has  no  purpose.

As  the  physicist  Paul  Davies  puts  it,  “If  everything  needs  everything  else,  how  did  thecommunity  of  molecules  ever  arise  in  the  first  place?”  It  is  rather  as  if  all  the  ingredients  inyour  kitchen  somehow  got  together  and  baked  themselves  into  a  cake—but  a  cake  that  couldmoreover  divide  when  necessary  to  produce  more  cakes.  It  is  little  wonder  that  we  call  it  themiracle  of  life.  It  is  also  little  wonder  that  we  have  barely  begun  to  understand  it.

So  what  accounts  for  all  this  wondrous  complexity?  Well,  one  possibility  is  that  perhaps  itisn’t  quite—not  quite—so  wondrous  as  at  first  it  seems.  Take  those  amazingly  improbableproteins.  The  wonder  we  see  in  their  assembly  comes  in  assuming  that  they  arrived  on  thescene  fully  formed.  But  what  if  the  protein  chains  didn’t  assemble  all  at  once?  What  if,  in  thegreat  slot  machine  of  creation,  some  of  the  wheels  could  be  held,  as  a  gambler  might  hold  anumber  of  promising  cherries?  What  if,  in  other  words,  proteins  didn’t  suddenly  burst  intobeing,  but  evolved  .

Imagine  if  you  took  all  the  components  that  make  up  a  human  being—carbon,  hydrogen,oxygen,  and  so  on—and  put  them  in  a  container  with  some  water,  gave  it  a  vigorous  stir,  andout  stepped  a  completed  person.  That  would  be  amazing.  Well,  that’s  essentially  what  Hoyleand  others  (including  many  ardent  creationists)  argue  when  they  suggest  that  proteinsspontaneously  formed  all  at  once.  They  didn’t—they  can’t  have.  As  Richard  Dawkins  arguesin  The  Blind  Watchmaker,  there  must  have  been  some  kind  of  cumulative  selection  processthat  allowed  amino  acids  to  assemble  in  chunks.  Perhaps  two  or  three  amino  acids  linked  up for  some  simple  purpose  and  then  after  a  time  bumped  into  some  other  similar  small  clusterand  in  so  doing  “discovered”  some  additional  improvement.

Chemical    reactions    of    the    sort    associated  with  life  are  actually  something  of  acommonplace.  It  may  be  beyond  us  to  cook  them  up  in  a  lab,  à  la  Stanley  Miller  and  HaroldUrey,  but  the  universe  does  it  readily  enough.  Lots  of  molecules  in  nature  get  together  to  formlong  chains  called  polymers.  Sugars  constantly  assemble  to  form  starches.  Crystals  can  do  anumber  of  lifelike  things—replicate,  respond  to  environmental  stimuli,  take  on  a  patternedcomplexity.  They’ve  never  achieved  life  itself,  of  course,  but  they  demonstrate  repeatedly  thatcomplexity  is  a  natural,  spontaneous,  entirely  commonplace  event.  There  may  or  may  not  be  agreat  deal  of  life  in  the  universe  at  large,  but  there  is  no  shortage  of  ordered  self-assembly,  ineverything  from  the  transfixing  symmetry  of  snowflakes  to  the  comely  rings  of  Saturn.

So  powerful  is  this  natural  impulse  to  assemble  that  many  scientists  now  believe  that  lifemay  be  more  inevitable  than  we  think—that  it  is,  in  the  words  of  the  Belgian  biochemist  andNobel  laureate  Christian  de  Duve,  “an  obligatory  manifestation  of  matter,  bound  to  arisewherever  conditions  are  appropriate.”  De  Duve  thought  it  likely  that  such  conditions  would  beencountered  perhaps  a  million  times  in  every  galaxy.

Certainly  there  is  nothing  terribly  exotic  in  the  chemicals  that  animate  us.  If  you  wished  tocreate  another  living  object,  whether  a  goldfish  or  a  head  of  lettuce  or  a  human  being,  youwould  need  really  only  four  principal  elements,  carbon,  hydrogen,  oxygen,  and  nitrogen,  plussmall  amounts  of  a  few  others,  principally  sulfur,  phosphorus,  calcium,  and  iron.  Put  thesetogether  in  three  dozen  or  so  combinations  to  form  some  sugars,  acids,  and  other  basiccompounds  and  you  can  build  anything  that  lives.  As  Dawkins  notes:  “There  is  nothingspecial  about  the  substances  from  which  living  things  are  made.  Living  things  are  collectionsof  molecules,  like  everything  else.”

The  bottom  line  is  that  life  is  amazing  and  gratifying,  perhaps  even  miraculous,  but  hardlyimpossible—as  we  repeatedly  attest  with  our  own  modest  existences.  To  be  sure,  many  of  thedetails  of  life’s  beginnings  remain  pretty  imponderable.  Every  scenario  you  have  ever  readconcerning  the  conditions  necessary  for  life  involves  water—from  the  “warm  little  pond”

where  Darwin  supposed  life  began  to  the  bubbling  sea  vents  that  are  now  the  most  popularcandidates  for  life’s  beginnings—but  all  this  overlooks  the  fact  that  to  turn  monomers  intopolymers  (which  is  to  say,  to  begin  to  create  proteins)  involves  what  is  known  to  biology  as“dehydration  linkages.”  As  one  leading  biology  text  puts  it,  with  perhaps  just  a  tiny  hint  ofdiscomfort,  “Researchers  agree  that  such  reactions  would  not  have  been  energeticallyfavorable  in  the  primitive  sea,  or  indeed  in  any  aqueous  medium,  because  of  the  mass  actionlaw.”  It  is  a  little  like  putting  sugar  in  a  glass  of  water  and  having  it  become  a  cube.  Itshouldn’t  happen,  but  somehow  in  nature  it  does.  The  actual  chemistry  of  all  this  is  a  littlearcane  for  our  purposes  here,  but  it  is  enough  to  know  that  if  you  make  monomers  wet  theydon’t  turn  into  polymers—except  when  creating  life  on  Earth.  How  and  why  it  happens  thenand  not  otherwise  is  one  of  biology’s  great  unanswered  questions.

One  of  the  biggest  surprises  in  the  earth  sciences  in  recent  decades  was  the  discovery  ofjust  how  early  in  Earth’s  history  life  arose.  Well  into  the  1950s,  it  was  thought  that  life  wasless  than  600  million  years  old.  By  the  1970s,  a  few  adventurous  souls  felt  that  maybe  it  wentback  2.5  billion  years.  But  the  present  date  of  3.85  billion  years  is  stunningly  early.  Earth’ssurface  didn’t  become  solid  until  about  3.9  billion  years  ago.

“We  can  only  infer  from  this  rapidity  that  it  is  not  ‘difficult’  for  life  of  bacterial  grade  toevolve  on  planets  with  appropriate  conditions,”  Stephen  Jay  Gould  observed  in  the  New  YorkTimes  in  1996.  Or  as  he  put  it  elsewhere,  it  is  hard  to  avoid  the  conclusion  that  “life,  arising  assoon  as  it  could,  was  chemically  destined  to  be.”

Life  emerged  so  swiftly,  in  fact,  that  some  authorities  think  it  must  have  had  help—perhapsa  good  deal  of  help.  The  idea  that  earthly  life  might  have  arrived  from  space  has  a  surprisinglylong  and  even  occasionally  distinguished  history.  The  great  Lord  Kelvin  himself  raised  thepossibility  as  long  ago  as  1871  at  a  meeting  of  the  British  Association  for  the  Advancement  ofScience  when  he  suggested  that  “the  germs  of  life  might  have  been  brought  to  the  earth  bysome  meteorite.”  But  it  remained  little  more  than  a  fringe  notion  until  one  Sunday  inSeptember  1969  when  tens  of  thousands  of  Australians  were  startled  by  a  series  of  sonicbooms  and  the  sight  of  a  fireball  streaking  from  east  to  west  across  the  sky.  The  fireball  madea  strange  crackling  sound  as  it  passed  and  left  behind  a  smell  that  some  likened  to  methylatedspirits  and  others  described  as  just  awful.

The  fireball  exploded  above  Murchison,  a  town  of  six  hundred  people  in  the  GoulburnValley  north  of  Melbourne,  and  came  raining  down  in  chunks,  some  weighing  up  to  twelvepounds.  Fortunately,  no  one  was  hurt.  The  meteorite  was  of  a  rare  type  known  as  acarbonaceous  chondrite,  and  the  townspeople  helpfully  collected  and  brought  in  some  twohundred  pounds  of  it.  The  timing  could  hardly  have  been  better.  Less  than  two  months  earlier,the  Apollo  11  astronauts  had  returned  to  Earth  with  a  bag  full  of  lunar  rocks,  so  labsthroughout  the  world  were  geared  up—indeed  clamoring—for  rocks  of  extraterrestrial  origin.

The  Murchison  meteorite  was  found  to  be  4.5  billion  years  old,  and  it  was  studded  withamino  acids—seventy-four  types  in  all,  eight  of  which  are  involved  in  the  formation  of  earthlyproteins.  In  late  2001,  more  than  thirty  years  after  it  crashed,  a  team  at  the  Ames  ResearchCenter  in  California  announced  that  the  Murchison  rock  also  contained  complex  strings  ofsugars  called  polyols,  which  had  not  been  found  off  the  Earth  before.

A  few  other  carbonaceous  chondrites  have  strayed  into  Earth’s  path  since—one  that  landednear  Tagish  Lake  in  Canada’s  Yukon  in  January  2000  was  seen  over  large  parts  of  NorthAmerica—and  they  have  likewise  confirmed  that  the  universe  is  actually  rich  in  organiccompounds.  Halley’s  comet,  it  is  now  thought,  is  about  25  percent  organic  molecules.  Getenough  of  those  crashing  into  a  suitable  place—Earth,  for  instance—and  you  have  the  basicelements  you  need  for  life.

There  are  two  problems  with  notions  of  panspermia,  as  extraterrestrial  theories  are  known.

The  first  is  that  it  doesn’t  answer  any  questions  about  how  life  arose,  but  merely  movesresponsibility  for  it  elsewhere.  The  other  is  that  panspermia  sometimes  excites  even  the  mostrespectable  adherents  to  levels  of  speculation  that  can  be  safely  called  imprudent.  FrancisCrick,  codiscoverer  of  the  structure  of  DNA,  and  his  colleague  Leslie  Orgel  have  suggestedthat  Earth  was  “deliberately  seeded  with  life  by  intelligent  aliens,”  an  idea  that  Gribbin  calls“at  the  very  fringe  of  scientific  respectability”—or,  put  another  way,  a  notion  that  would  beconsidered  wildly  lunatic  if  not  voiced  by  a  Nobel  laureate.  Fred  Hoyle  and  his  colleagueChandra  Wickramasinghe  further  eroded  enthusiasm  for  panspermia  by  suggesting  that  outerspace  brought  us  not  only  life  but  also  many  diseases  such  as  flu  and  bubonic  plague,  ideasthat  were  easily  disproved  by  biochemists.  Hoyle—and  it  seems  necessary  to  insert  areminder  here  that  he  was  one  of  the  great  scientific  minds  of  the  twentieth  century—alsoonce  suggested,  as  mentioned  earlier,  that  our  noses  evolved  with  the  nostrils  underneath  as  away  of  keeping  cosmic  pathogens  from  falling  into  them  as  they  drifted  down  from  space.

Whatever  prompted  life  to  begin,  it  happened  just  once.  That  is  the  most  extraordinary  factin  biology,  perhaps  the  most  extraordinary  fact  we  know.  Everything  that  has  ever  lived,  plantor  animal,  dates  its  beginnings  from  the  same  primordial  twitch.  At  some  point  in  anunimaginably  distant  past  some  little  bag  of  chemicals  fidgeted  to  life.  It  absorbed  somenutrients,  gently  pulsed,  had  a  brief  existence.  This  much  may  have  happened  before,  perhapsmany  times.  But  this  ancestral  packet  did  something  additional  and  extraordinary:  it  cleaveditself  and  produced  an  heir.  A  tiny  bundle  of  genetic  material  passed  from  one  living  entity  toanother,  and  has  never  stopped  moving  since.  It  was  the  moment  of  creation  for  us  all.

Biologists  sometimes  call  it  the  Big  Birth.

“Wherever  you  go  in  the  world,  whatever  animal,  plant,  bug,  or  blob  you  look  at,  if  it  isalive,  it  will  use  the  same  dictionary  and  know  the  same  code.  All  life  is  one,”  says  MattRidley.  We  are  all  the  result  of  a  single  genetic  trick  handed  down  from  generation  togeneration  nearly  four  billion  years,  to  such  an  extent  that  you  can  take  a  fragment  of  humangenetic  instruction,  patch  it  into  a  faulty  yeast  cell,  and  the  yeast  cell  will  put  it  to  work  as  if  itwere  its  own.  In  a  very  real  sense,  it  is  its  own.

The  dawn  of  life—or  something  very  like  it—sits  on  a  shelf  in  the  office  of  a  friendlyisotope  geochemist  named  Victoria  Bennett  in  the  Earth  Sciences  building  of  the  AustralianNational  University  in  Canberra.  An  American,  Ms.  Bennett  came  to  the  ANU  fromCalifornia  on  a  two-year  contract  in  1989  and  has  been  there  ever  since.  When  I  visited  her,  inlate  2001,  she  handed  me  a  modestly  hefty  hunk  of  rock  composed  of  thin  alternating  stripesof  white  quartz  and  a  gray-green  material  called  clinopyroxene.  The  rock  came  from  AkiliaIsland  in  Greenland,  where  unusually  ancient  rocks  were  found  in  1997.  The  rocks  are  3.85billion  years  old  and  represent  the  oldest  marine  sediments  ever  found.

“We  can’t  be  certain  that  what  you  are  holding  once  contained  living  organisms  becauseyou’d  have  to  pulverize  it  to  find  out,”  Bennett  told  me.  “But  it  comes  from  the  same  depositwhere  the  oldest  life  was  excavated,  so  it  probably  had  life  in  it.”  Nor  would  you  find  actualfossilized  microbes,  however  carefully  you  searched.  Any  simple  organisms,  alas,  would  havebeen  baked  away  by  the  processes  that  turned  ocean  mud  to  stone.  Instead  what  we  would  seeif  we  crunched  up  the  rock  and  examined  it  microscopically  would  be  the  chemical  residuesthat  the  organisms  left  behind—carbon  isotopes  and  a  type  of  phosphate  called  apatite,  whichtogether  provide  strong  evidence  that  the  rock  once  contained  colonies  of  living  things.  “Wecan  only  guess  what  the  organism  might  have  looked  like,”  Bennett  said.  “It  was  probablyabout  as  basic  as  life  can  get—but  it  was  life  nonetheless.  It  lived.  It  propagated.”

And  eventually  it  led  to  us.

If  you  are  into  very  old  rocks,  and  Bennett  indubitably  is,  the  ANU  has  long  been  a  primeplace  to  be.  This  is  largely  thanks  to  the  ingenuity  of  a  man  named  Bill  Compston,  who  isnow  retired  but  in  the  1970s  built  the  world’s  first  Sensitive  High  Resolution  Ion  MicroProbe—or  SHRIMP,  as  it  is  more  affectionately  known  from  its  initial  letters.  This  is  amachine  that  measures  the  decay  rate  of  uranium  in  tiny  minerals  called  zircons.  Zirconsappear  in  most  rocks  apart  from  basalts  and  are  extremely  durable,  surviving  every  naturalprocess  but  subduction.  Most  of  the  Earth’s  crust  has  been  slipped  back  into  the  oven  at  somepoint,  but  just  occasionally—in  Western  Australia  and  Greenland,  for  example—geologistshave  found  outcrops  of  rocks  that  have  remained  always  at  the  surface.  Compston’s  machineallowed  such  rocks  to  be  dated  with  unparalleled  precision.  The  prototype  SHRIMP  was  built and  machined  in  the  Earth  Science  department’s  own  workshops,  and  looked  like  somethingthat  had  been  built  from  spare  parts  on  a  budget,  but  it  worked  great.  On  its  first  formal  test,  in1982,  it  dated  the  oldest  thing  ever  found—a  4.3-billion-year-old    rock  from  WesternAustralia.

“It  caused  quite  a  stir  at  the  time,”  Bennett  told  me,  “to  find  something  so  important  soquickly  with  brand-new  technology.”

She  took  me  down  the  hall  to  see  the  current  model,  SHRIMP  II.  It  was  a  big  heavy  pieceof  stainless-steel  apparatus,  perhaps  twelve  feet  long  and  five  feet  high,  and  as  solidly  built  asa  deep-sea  probe.  At  a  console  in  front  of  it,  keeping  an  eye  on  ever-changing  strings  offigures  on  a  screen,  was  a  man  named  Bob  from  Canterbury  University  in  New  Zealand.  Hehad  been  there  since  4  A.M.,  he  told  me.  SHRIMP  II  runs  twenty-four  hours  a  day;  there’s  thatmany  rocks  to  date.  It  was  just  after  9A.M.  and  Bob  had  the  machine  till  noon.  Ask  a  pair  ofgeochemists  how  something  like  this  works,  and  they  will  start  talking  about  isotopicabundances  and  ionization  levels  with  an  enthusiasm  that  is  more  endearing  than  fathomable.

The  upshot  of  it,  however,  was  that  the  machine,  by  bombarding  a  sample  of  rock  withstreams  of  charged  atoms,  is  able  to  detect  subtle  differences  in  the  amounts  of  lead  anduranium  in  the  zircon  samples,  by  which  means  the  age  of  rocks  can  be  accurately  adduced.

Bob  told  me  that  it  takes  about  seventeen  minutes  to  read  one  zircon  and  it  is  necessary  toread  dozens  from  each  rock  to  make  the  data  reliable.  In  practice,  the  process  seemed  toinvolve  about  the  same  level  of  scattered  activity,  and  about  as  much  stimulation,  as  a  trip  to  alaundromat.  Bob  seemed  very  happy,  however;  but  then  people  from  New  Zealand  verygenerally  do.

The  Earth  Sciences  compound  was  an  odd  combination  of  things—part  offices,  part  labs,part  machine  shed.  “We  used  to  build  everything  here,”  Bennett  said.  “We  even  had  our  ownglassblower,  but  he’s  retired.  But  we  still  have  two  full-time  rock  crushers.”  She  caught  mylook  of  mild  surprise.  “We  get  through  a  lot  of  rocks.  And  they  have  to  be  very  carefullyprepared.  You  have  to  make  sure  there  is  no  contamination  from  previous  samples—no  dustor  anything.  It’s  quite  a  meticulous  process.”  She  showed  me  the  rock-crushing  machines,which  were  indeed  pristine,  though  the  rock  crushers  had  apparently  gone  for  coffee.  Besidethe  machines  were  large  boxes  containing  rocks  of  all  shapes  and  sizes.  They  do  indeed  getthrough  a  lot  of  rocks  at  the  ANU.

Back  in  Bennett’s  office  after  our  tour,  I  noticed  hanging  on  her  wall  a  poster  giving  anartist’s  colorfully  imaginative  interpretation  of  Earth  as  it  might  have  looked  3.5  billion  yearsago,  just  when  life  was  getting  going,  in  the  ancient  period  known  to  earth  science  as  theArchaean.  The  poster  showed  an  alien  landscape  of  huge,  very  active  volcanoes,  and  asteamy,  copper-colored  sea  beneath  a  harsh  red  sky.  Stromatolites,  a  kind  of  bacterial  rock,filled  the  shallows  in  the  foreground.  It  didn’t  look  like  a  very  promising  place  to  create  andnurture  life.  I  asked  her  if  the  painting  was  accurate.

“Well,  one  school  of  thought  says  it  was  actually  cool  then  because  the  sun  was  muchweaker.”  (I  later  learned  that  biologists,  when  they  are  feeling  jocose,  refer  to  this  as  the“Chinese  restaurant  problem”—because  we  had  a  dim  sun.)  “Without  an  atmosphereultraviolet  rays  from  the  sun,  even  from  a  weak  sun,  would  have  tended  to  break  apart  anyincipient  bonds  made  by  molecules.  And  yet  right  there”—she  tapped  the  stromatolites—“youhave  organisms  almost  at  the  surface.  It’s  a  puzzle.”

“So  we  don’t  know  what  the  world  was  like  back  then?”

“Mmmm,”  she  agreed  thoughtfully.

“Either  way  it  doesn’t  seem  very  conducive  to  life.”

She  nodded  amiably.  “But  there  must  have  been  something  that  suited  life.  Otherwise  wewouldn’t  be  here.”

It  certainly  wouldn’t  have  suited  us.  If  you  were  to  step  from  a  time  machine  into  thatancient  Archaean  world,  you  would  very  swiftly  scamper  back  inside,  for  there  was  no  moreoxygen  to  breathe  on  Earth  back  then  than  there  is  on  Mars  today.  It  was  also  full  of  noxiousvapors  from  hydrochloric  and  sulfuric  acids  powerful  enough  to  eat  through  clothing  andblister  skin.  Nor  would  it  have  provided  the  clean  and  glowing  vistas  depicted  in  the  poster  inVictoria  Bennett’s  office.  The  chemical  stew  that  was  the  atmosphere  then  would  haveallowed  little  sunlight  to  reach  the  Earth’s  surface.  What  little  you  could  see  would  beillumined  only  briefly  by  bright  and  frequent  lightning  flashes.  In  short,  it  was  Earth,  but  anEarth  we  wouldn’t  recognize  as  our  own.

Anniversaries  were  few  and  far  between  in  the  Archaean  world.  For  two  billion  yearsbacterial  organisms  were  the  only  forms  of  life.  They  lived,  they  reproduced,  they  swarmed,but  they  didn’t  show  any  particular  inclination  to  move  on  to  another,  more  challenging  levelof  existence.  At  some  point  in  the  first  billion  years  of  life,  cyanobacteria,  or  blue-green  algae,learned  to  tap  into  a  freely  available  resource—the  hydrogen  that  exists  in  spectacularabundance  in  water.  They  absorbed  water  molecules,  supped  on  the  hydrogen,  and  releasedthe  oxygen  as  waste,  and  in  so  doing  invented  photosynthesis.  As  Margulis  and  Sagan  note,photosynthesis  is  “undoubtedly  the  most  important  single  metabolic  innovation  in  the  historyof  life  on  the  planet”—and  it  was  invented  not  by  plants  but  by  bacteria.

As  cyanobacteria  proliferated  the  world  began  to  fill  with  O2to  the  consternation  of  thoseorganisms  that  found  it  poisonous—which  in  those  days  was  all  of  them.  In  an  anaerobic  (or  anon-oxygen-using)  world,  oxygen  is  extremely  poisonous.  Our  white  cells  actually  useoxygen  to  kill  invading  bacteria.  That  oxygen  is  fundamentally  toxic  often  comes  as  a  surpriseto  those  of  us  who  find  it  so  convivial  to  our  well-being,  but  that  is  only  because  we  haveevolved  to  exploit  it.  To  other  things  it  is  a  terror.  It  is  what  turns  butter  rancid  and  makes  ironrust.  Even  we  can  tolerate  it  only  up  to  a  point.  The  oxygen  level  in  our  cells  is  only  about  atenth  the  level  found  in  the  atmosphere.

The  new  oxygen-using  organisms  had  two  advantages.  Oxygen  was  a  more  efficient  way  toproduce  energy,  and  it  vanquished  competitor  organisms.  Some  retreated  into  the  oozy,anaerobic  world  of  bogs  and  lake  bottoms.  Others  did  likewise  but  then  later  (much  later)migrated  to  the  digestive  tracts  of  beings  like  you  and  me.  Quite  a  number  of  these  primevalentities  are  alive  inside  your  body  right  now,  helping  to  digest  your  food,  but  abhorring  eventhe  tiniest  hint  of  O2.  Untold  numbers  of  others  failed  to  adapt  and  died.

The  cyanobacteria  were  a  runaway  success.  At  first,  the  extra  oxygen  they  produced  didn’taccumulate  in  the  atmosphere,  but  combined  with  iron  to  form  ferric  oxides,  which  sank  to  thebottom  of  primitive  seas.  For  millions  of  years,  the  world  literally  rusted—a  phenomenonvividly  recorded  in  the  banded  iron  deposits  that  provide  so  much  of  the  world’s  iron  oretoday.  For  many  tens  of  millions  of  years  not  a  great  deal  more  than  this  happened.  If  youwent  back  to  that  early  Proterozoic  world  you  wouldn’t  find  many  signs  of  promise  for Earth’s  future  life.  Perhaps  here  and  there  in  sheltered  pools  you’d  encounter  a  film  of  livingscum  or  a  coating  of  glossy  greens  and  browns  on  shoreline  rocks,  but  otherwise  life  remainedinvisible.

But  about  3.5  billion  years  ago  something  more  emphatic  became  apparent.  Wherever  theseas  were  shallow,  visible  structures  began  to  appear.  As  they  went  through  their  chemicalroutines,  the  cyanobacteria  became  very  slightly  tacky,  and  that  tackiness  trappedmicroparticles  of  dust  and  sand,  which  became  bound  together  to  form  slightly  weird  but  solidstructures—the  stromatolites  that  were  featured  in  the  shallows  of  the  poster  on  VictoriaBennett’s  office  wall.  Stromatolites  came  in  various  shapes  and  sizes.  Sometimes  they  lookedlike  enormous  cauliflowers,  sometimes  like  fluffy  mattresses  (stromatolite  comes  from  theGreek  for  “mattress”),  sometimes  they  came  in  the  form  of  columns,  rising  tens  of  metersabove  the  surface  of  the  water—sometimes  as  high  as  a  hundred  meters.  In  all  theirmanifestations,  they  were  a  kind  of  living  rock,  and  they  represented  the  world’s  firstcooperative  venture,  with  some  varieties  of  primitive  organism  living  just  at  the  surface  andothers  living  just  underneath,  each  taking  advantage  of  conditions  created  by  the  other.  Theworld  had  its  first  ecosystem.

For  many  years,  scientists  knew  about  stromatolites  from  fossil  formations,  but  in  1961they  got  a  real  surprise  with  the  discovery  of  a  community  of  living  stromatolites  at  SharkBay  on  the  remote  northwest  coast  of  Australia.  This  was  most  unexpected—so  unexpected,in  fact,  that  it  was  some  years  before  scientists  realized  quite  what  they  had  found.  Today,however,  Shark  Bay  is  a  tourist  attraction—or  at  least  as  much  of  a  tourist  attraction  as  a  placehundreds  of  miles  from  anywhere  much  and  dozens  of  miles  from  anywhere  at  all  can  ever  be.

Boardwalks  have  been  built  out  into  the  bay  so  that  visitors  can  stroll  over  the  water  to  get  agood  look  at  the  stromatolites,  quietly  respiring  just  beneath  the  surface.  They  are  lusterlessand  gray  and  look,  as  I  recorded  in  an  earlier  book,  like  very  large  cow-pats.  But  it  is  acuriously  giddying  moment  to  find  yourself  staring  at  living  remnants  of  Earth  as  it  was  3.5billion  years  ago.  As  Richard  Fortey  has  put  it:  “This  is  truly  time  traveling,  and  if  the  worldwere  attuned  to  its  real  wonders  this  sight  would  be  as  well-known  as  the  pyramids  of  Giza.”

Although  you’d  never  guess  it,  these  dull  rocks  swarm  with  life,  with  an  estimated  (well,obviously  estimated)  three  billion  individual  organisms  on  every  square  yard  of  rock.

Sometimes  when  you  look  carefully  you  can  see  tiny  strings  of  bubbles  rising  to  the  surface  asthey  give  up  their  oxygen.  In  two  billion  years  such  tiny  exertions  raised  the  level  of  oxygenin  Earth’s  atmosphere  to  20  percent,  preparing  the  way  for  the  next,  more  complex  chapter  inlife’s  history.

It  has  been  suggested  that  the  cyanobacteria  at  Shark  Bay  are  perhaps  the  slowest-evolvingorganisms  on  Earth,  and  certainly  now  they  are  among  the  rarest.  Having  prepared  the  way  formore  complex  life  forms,  they  were  then  grazed  out  of  existence  nearly  everywhere  by  thevery  organisms  whose  existence  they  had  made  possible.  (They  exist  at  Shark  Bay  becausethe  waters  are  too  saline  for  the  creatures  that  would  normally  feast  on  them.)One  reason  life  took  so  long  to  grow  complex  was  that  the  world  had  to  wait  until  thesimpler  organisms  had  oxygenated  the  atmosphere  sufficiently.  “Animals  could  not  summonup  the  energy  to  work,”  as  Fortey  has  put  it.  It  took  about  two  billion  years,  roughly  40percent  of  Earth’s  history,  for  oxygen  levels  to  reach  more  or  less  modern  levels  ofconcentration  in  the  atmosphere.  But  once  the  stage  was  set,  and  apparently  quite  suddenly,  anentirely  new  type  of  cell  arose—one  with  a  nucleus  and  other  little  bodies  collectively  calledorganelles  (from  a  Greek  word  meaning  “little  tools”).  The  process  is  thought  to  have  startedwhen  some  blundering  or  adventuresome  bacterium  either  invaded  or  was  captured  by  some other  bacterium  and  it  turned  out  that  this  suited  them  both.  The  captive  bacterium  became,  itis  thought,  a  mitochondrion.  This  mitochondrial  invasion  (or  endosymbiotic  event,  asbiologists  like  to  term  it)  made  complex  life  possible.  (In  plants  a  similar  invasion  producedchloroplasts,  which  enable  plants  to  photosynthesize.)Mitochondria  manipulate  oxygen  in  a  way  that  liberates  energy  from  foodstuffs.  Withoutthis  niftily  facilitating  trick,  life  on  Earth  today  would  be  nothing  more  than  a  sludge  ofsimple  microbes.  Mitochondria  are  very  tiny—you  could  pack  a  billion  into  the  spaceoccupied  by  a  grain  of  sand—but  also  very  hungry.  Almost  every  nutriment  you  absorb  goesto  feeding  them.

We  couldn’t  live  for  two  minutes  without  them,  yet  even  after  a  billion  years  mitochondriabehave  as  if  they  think  things  might  not  work  out  between  us.  They  maintain  their  own  DNA.

They  reproduce  at  a  different  time  from  their  host  cell.  They  look  like  bacteria,  divide  likebacteria,  and  sometimes  respond  to  antibiotics  in  the  way  bacteria  do.  In  short,  they  keep  theirbags  packed.  They  don’t  even  speak  the  same  genetic  language  as  the  cell  in  which  they  live.

It  is  like  having  a  stranger  in  your  house,  but  one  who  has  been  there  for  a  billion  years.

The  new  type  of  cell  is  known  as  a  eukaryote  (meaning  “truly  nucleated”),  as  contrastedwith  the  old  type,  which  is  known  as  a  prokaryote  (“prenucleated”),  and  it  seems  to  havearrived  suddenly  in  the  fossil  record.  The  oldest  eukaryotes  yet  known,  called  Grypania,  werediscovered  in  iron  sediments  in  Michigan  in  1992.  Such  fossils  have  been  found  just  once,  andthen  no  more  are  known  for  500  million  years.

Compared  with  the  new  eukaryotes  the  old  prokaryotes  were  little  more  than  “bags  ofchemicals,”  in  the  words  of  the  geologist  Stephen  Drury.  Eukaryotes  were  bigger—eventuallyas  much  as  ten  thousand  times  bigger—than  their  simpler  cousins,  and  carried  as  much  as  athousand  times  more  DNA.  Gradually  a  system  evolved  in  which  life  was  dominated  by  twotypes  of  form—organisms  that  expel  oxygen  (like  plants)  and  those  that  take  it  in  (you  andme).

Single-celled  eukaryotes  were  once  called  protozoa  (“pre-animals”),  but  that  term  isincreasingly  disdained.  Today  the  common  term  for  them  is  protists  .  Compared  with  thebacteria  that  had  gone  before,  these  new  protists  were  wonders  of  design  and  sophistication.

The  simple  amoeba,  just  one  cell  big  and  without  any  ambitions  but  to  exist,  contains  400million  bits  of  genetic  information  in  its  DNA—enough,  as  Carl  Sagan  noted,  to  fill  eightybooks  of  five  hundred  pages.

Eventually  the  eukaryotes  learned  an  even  more  singular  trick.  It  took  a  long  time—abillion  years  or  so—but  it  was  a  good  one  when  they  mastered  it.  They  learned  to  formtogether  into  complex  multicellular  beings.  Thanks  to  this  innovation,  big,  complicated,visible  entities  like  us  were  possible.  Planet  Earth  was  ready  to  move  on  to  its  next  ambitiousphase.

But  before  we  get  too  excited