在格陵兰岛的依苏阿上壳岩带上有37亿年历史的岩石，2016年，Nutman等人报告了从这些岩石中发现的锥型结构，他们确认这些岩石是叠层石——这种结构是水栖微生物的存在的结果。早前，已知的最古老的叠层石据称是位于澳大利亚、有着34.5亿年历史的岩石。能够确定生命迹象最初出现的日期对于理解地球上的生物进化有着重要的意义。然而，Allwood等人在《自然》杂志上的文章称他们对这些格陵兰岛上的岩石进行了独立分析，并认为，在这个特殊的案例下，Nutman和他的同事所解释为叠层石的结构其实是由于非生物活动产生的。这个发现表明，一个无需任何活有机物介入的自然过程可以模仿一种结构的形成，这种结构通常被认为是早前生物活动的重要标志。
叠层石具有层压（层状）结构（图1a），是由微生物群落中沉淀物的捕获和结合以及矿石沉积形成的。它们可以形成一系列的形状：圆锥形、柱形或穹顶形。微生物是否会影响特定的叠层石形状种类的形成尚未明确。有一些模型可以解释叠层石如何在缺少有机物输入的情况下形成，而一些由不需要生物活动参与的自然过程形成的各种各样的层压结构可能会被误认为是叠层石，例如间歇泉（geyers）周围的二氧化硅沉积物或在水蒸发时形成的层状硅酸盐结壳。在保存完好的叠层石样本中，生物对这种结构做出的贡献往往可以通过复杂的分支、错综的层状结构、空腔，或在少数情况下，保留的微化石和霉菌来证实。
图1 | 古代岩石的分层结构。a. 在古代岩石中发现的、具有内部分层（薄层）的锥状结构被确定为叠层石中的一种，具体地说，这是一种因水栖微生物活动形成的叠层石。这种厘米级别、存在于古代岩石中的叠层石被认为是地球早期生命存在的证据。然而，由于随着时间推移，古代岩石会发生变形，因此对叠层石的准确鉴定可能存在争议。b. 岩石的伸展和压缩可能会产生类似叠层石的类锥状结构，沉积岩层的变形和置换可能会产生类似于由生物活动产生的叠层石分层的结构。Allwood等人认为，位于格陵兰岛有37亿年的岩石中、先前被确定为叠层石的结构可能就是通过这样的过程形成的。
然而，锥状叠层石是一种特殊情况，因为单是它们的形状便足以确定它们是由生物过程产生的。它们层状结构上陡峭的斜坡不可能由沉积或矿物沉淀等的非生物过程形成。从对当今的叠层石分析和实验室实验可知，锥状叠层石是能产生垂直圆锥的能动微生物群落的剩余物，而这种锥状结构可以通过非生物材料的捕获、结合和沉淀得以保存。
当人们分析早期岩石记录中的叠层石结构时（它们通常是厘米级别的尺寸），它们复杂的层压结构、质地以及成分往往已经因一个名为变质作用的过程而部分或完全受到破坏，这个过程指的是岩石结构在热量和压力的作用下发生极大的变化，该过程通常发生在当岩石位于地下深处时。叠层石形状因此成为了辨识古代类叠层石结构中生物输入的信号的方式。因此，对于受到严重变质作用的早期太古代（Early Archean）岩石记录（形成于32亿至40亿年前），对形成于生物过程的叠层石的鉴定变得十分困难。
不过，澳大利亚的34.5亿年历史的岩石为由生物过程形成的叠层岩的存在提供了令人信服的证据。除了锥形叠层岩之外，人们还在这些岩石中发现了另外六种叠层石形状；它们都存在于被认为是古老、较浅、海洋、碳酸盐丰富的环境所在的位置。叠层石形状的多样性令人信服地排除了一个单一的非生物形成过程，并揭示了生态控制掌控着整个叠层石生长。在其他经过变质作用的古老岩石中，都难以找到如此清晰可辨的古代环境背景的证据。
Nutman和他的同事们报告了在格陵兰岛一个新识别的岩石露头中发现的古代叠层石，并根据层间沉积物的纹理和稀土元素的分布模式，解释了这些结构是在古代浅海环境中产生的。这种稀土元素的分布模式此前曾被解释为表明来自海水的碳酸盐矿物的沉积。这些岩石所在的整个地区早前被发现是受高温和压力作用的变质岩的区域。在具有叠层岩的澳大利亚岩石中，岩石分层清晰可见；而在格陵兰岛的样本中，人们提出的分层现象并没有那么明显，且变质作用的程度也高于澳大利亚岩石。
明确的、保存完好的分层结构的缺乏妨碍了对复杂的原始质地的辨别，而那些原始质地可能表明了结构中的生物输入。然而，Nutman等人发现了残余层状和类似锥形叠层石的结构，他们一致认为这是由微生物产生的结构。除了这些锥状结构外，Nutman和他的同事们还发现了一些类似穹顶形状的叠层岩。不过，他们没有找到澳大利亚研究中所描述的叠层石形状多样性。由于样本量少、岩石受变质作用的历史复杂，这提出了这样的一个问题：这些格陵兰岛古代岩石中的类穹顶和圆锥的形状是否是由非生物过程产生的。
Allwood等人认为在格陵兰岛观察到的类似于叠层石的形状是由于岩石变形产生的。当他们比较具有类似叠层石结构的岩石样本的正面及侧面时，他们注意到一边是压缩变形，另一边是拉伸变形。这表明了这种结构不是叠层石，而是拉长的脊（图1b）。此外，叠层石脊的折叠方向与同一岩石中较小压力引起的矿物纹路的方向平行。这些观测结果为物理岩石变形提供了强有力的证据，因此为观察到的结构提供了非生物的解释。
此外，Allwood和他的同事认为，岩石自身不是在浅海环境中形成的，而是在碳酸盐矿物从流经现存岩石的流体中结晶而形成的。如果这是真的，那么观察到的类穹状和圆锥结构就绝对不是叠层石。Allwood 等人采用了具有高空间分辨率的元素追踪技术，表明锥形结构中的内部分层代表了一种硅酸盐岩石被碳酸盐矿物流体所取代。作者还发现，与海水存在相关的稀土元素信号似乎主要集中在岩石的云母矿物中，但也存在于碳酸盐区。Allwood和他的同事认为，假如在岩石存在的后期矿物结晶的流体最终也是来自海水的话，那么这是可能的。所以，即使Nutman和Allwood等人都报告了稀土元素在岩石中相似的分布模式，他们为这些模式的含义提供了不同的解释。这突出了在高度变形的岩石中确定主要化学特征的复杂性。
对古代叠层岩的生物输入一直存在争议。格陵兰岛的岩石外露才发现不久，只有少数研究者研究了这块岩石与地质环境的关系。未来的研究可能会使人们更好地理解形成这块岩石的首要和次要过程。显然，Nutman等人和Allwood等人的工作都会为解释古代岩石记录其他可能的叠层岩奠定基础。
作者：Mark A. van Zuilen
翻译：黄薇
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