轉(zhuǎn)眼間2021年余額已經(jīng)所剩無(wú)幾，尤其是今年給人的感覺(jué)過(guò)得尤其之快，仿佛轉(zhuǎn)眼間又從去年的冬天到了今年的冬天。然而，面對(duì)成堆的科研壓力和滿(mǎn)地的頭發(fā)，總是在一年的最后這段時(shí)間希望時(shí)間過(guò)得慢一些，一年能多出幾個(gè)月供我們揮霍。在早在5億多年前的寒武紀(jì)時(shí)期，一年竟有424天！相對(duì)于今天多出了兩個(gè)月的時(shí)間，相對(duì)應(yīng)每天的時(shí)長(zhǎng)也有縮短。這一驚人的發(fā)現(xiàn)竟然是通過(guò)對(duì)古生物學(xué)的觀察得出的。
生長(zhǎng)習(xí)性指的是生物長(zhǎng)期與環(huán)境相互作用形成的生活習(xí)慣和生態(tài)習(xí)性。生態(tài)習(xí)性是生物的固有屬性，生活習(xí)性是生物能良好生存的生活環(huán)境。所以，生物的習(xí)性變化很大程度可以反映環(huán)境的演化，當(dāng)這一方法運(yùn)用到古生物上將會(huì)起到巨大的作用。生物的生長(zhǎng)離不開(kāi)生活環(huán)境的制約，地球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、氣候變化、四季交替等變化都會(huì)在生物上產(chǎn)生周期性的影響。
樹(shù)有輪，節(jié)有節(jié)。不同生物的習(xí)性可以記錄復(fù)雜的環(huán)境變化，不同的環(huán)境變化也可以在生物身上留下深刻的記錄。很多生物表面都有著類(lèi)似于“樹(shù)木年輪”的記錄，清晰地記錄著地質(zhì)歷史時(shí)期滄海桑田的變遷。早在90年前，馬廷英(1933)就注意到珊瑚的生長(zhǎng)線反映了海水水溫的季節(jié)性變化，他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離赤道的珊瑚在結(jié)構(gòu)上反映季節(jié)變化更明顯，這為古生物學(xué)在研究環(huán)境演化上起到了先驅(qū)性的作用。化石對(duì)時(shí)間記錄的研究，直到上世紀(jì)70年代被尹贊勛院士定義為“古生物鐘”，用以探討對(duì)地球環(huán)境的記錄，這一名稱(chēng)也得到了學(xué)術(shù)界的一致認(rèn)可。下面，就帶大家了解一下人們是如何認(rèn)識(shí)古生物鐘，又是如何通過(guò)古生物鐘破解地球演化的驚天大案的。
01
古生物鐘
植物的開(kāi)花結(jié)果，動(dòng)物的冬眠蘇醒，自然界的生物如同完成自己的使命一樣，總是按部就班的進(jìn)行著生物活動(dòng)。仿佛每個(gè)生物心中都有一個(gè)永動(dòng)的鐘表，隨時(shí)提醒你到了什么季節(jié)該完成什么工作。當(dāng)這些生長(zhǎng)活動(dòng)反映在生物身上可能會(huì)產(chǎn)生有周期性的痕跡，如同樹(shù)木年輪一樣，這樣的痕跡就被叫做生物鐘。
樹(shù)木年輪
年輪與氣候變化
現(xiàn)代深海單體珊瑚
而古生物化石身上也同樣具有的生長(zhǎng)周期的痕跡，這些生長(zhǎng)痕跡隨著生物體被石化成化石而被完整的保留下來(lái)，這些痕跡就被稱(chēng)為“古生物鐘”。古生物鐘記錄了這些生物當(dāng)時(shí)的生長(zhǎng)信息，為我們解讀地質(zhì)歷史時(shí)期環(huán)境的演化提供了重要的依據(jù)。而珊瑚化石往往保存完整，如同現(xiàn)代珊瑚一樣，珊瑚對(duì)海水環(huán)境要求苛刻，而且生長(zhǎng)極易受到環(huán)境變化的影響，因此常有人用珊瑚化石發(fā)育情況試圖恢復(fù)古氣候帶。且珊瑚的生長(zhǎng)紋層具有周期性規(guī)律，可以反映季節(jié)的變化，具有與樹(shù)輪相似的特征，因此珊瑚也被稱(chēng)為“海上樹(shù)輪”。且珊瑚早在奧陶紀(jì)就出現(xiàn)并快速發(fā)展壯大，且化石往往保存完整。因此，研究地球歷史環(huán)境的變化，珊瑚常常是個(gè)有利的工具。而對(duì)珊瑚化石的研究甚至解決了連物理學(xué)家都沒(méi)有說(shuō)明白的地球自轉(zhuǎn)問(wèn)題。
單體珊瑚化石
日射脊板珊瑚化石
02
地球自轉(zhuǎn)謎題
我們都知道，地球每繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周，便經(jīng)歷了365個(gè)晝夜，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)一個(gè)恒星年是365日6時(shí)9分10秒，自從人類(lèi)記錄時(shí)間以來(lái)，每年以來(lái)一直如此，未曾更迭。但是隨著科學(xué)研究的不斷深入，從18世紀(jì)開(kāi)始，地球物理學(xué)家和天文史學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題。
通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)月球繞地球公轉(zhuǎn)的長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)，月球公轉(zhuǎn)的速度越來(lái)越快，有一個(gè)緩慢地加速度。最初人們認(rèn)為，這種引起緩慢加速的原因有兩種，一是因?yàn)樵虑蜃陨淼募铀伲蚴且驗(yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)變慢。拉普拉斯認(rèn)為月球的加速是因?yàn)樘?yáng)對(duì)月球軌道偏心率的作用，使得月球在黃經(jīng)上有個(gè)加速度，產(chǎn)生了長(zhǎng)周期的攝動(dòng)；也有人認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)的減慢是因?yàn)殚L(zhǎng)期太陽(yáng)潮汐的摩擦。一時(shí)間眾說(shuō)紛紜，沒(méi)有定論，這一爭(zhēng)論一直持續(xù)到了20世紀(jì)。人類(lèi)通過(guò)300多年對(duì)日長(zhǎng)的精確記錄和分析發(fā)現(xiàn)，每一百年每天就會(huì)增加1.6毫秒。照這個(gè)增長(zhǎng)速率，12億年前，一天僅有18.8個(gè)小時(shí)。這也說(shuō)明了地球自轉(zhuǎn)的速率正在逐漸降低。
地球老了，她轉(zhuǎn)得越來(lái)越慢了。但是始終沒(méi)有物理學(xué)家可以拿出準(zhǔn)確證據(jù)來(lái)證明這一現(xiàn)象。
03
珊瑚告訴了我們一切
當(dāng)天文學(xué)家和地球物理學(xué)家面對(duì)這一問(wèn)題苦于無(wú)法證明之時(shí)，古生物學(xué)家拿著珊瑚化石站了出來(lái)，打破了這一困境。
1963年Wells發(fā)表了一篇重要的Nature文章，他發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代珊瑚中一年生長(zhǎng)了大約360條很細(xì)的生長(zhǎng)線，并指出這些生長(zhǎng)線實(shí)際上可能是每天生長(zhǎng)周期的標(biāo)志。Wells又研究了產(chǎn)于泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)保存良好的標(biāo)本，他發(fā)現(xiàn)石炭紀(jì)珊瑚每年生長(zhǎng)線為385-390圈，而泥盆紀(jì)珊瑚有每年400圈生長(zhǎng)線左右（385-410條之間）。這與用天文學(xué)方法求得的各地質(zhì)時(shí)期每年的天數(shù)大體相等。據(jù)計(jì)算，寒武紀(jì)每晝夜為20.8小時(shí)，泥盆紀(jì)21.6小時(shí)，石炭紀(jì)21.8小時(shí)，三疊紀(jì)22.4小時(shí)。白堊紀(jì)23.5小時(shí)?，F(xiàn)在一天是24小時(shí)。如果我們知道了每年天數(shù)的變化，就可利用觀察化石生長(zhǎng)線得知的每年天數(shù)來(lái)確定其地質(zhì)時(shí)代。這篇文章一經(jīng)問(wèn)世，引起了天文學(xué)、地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多方面學(xué)者們的一致好評(píng)，從實(shí)際上證明了地球自轉(zhuǎn)逐漸變慢、日長(zhǎng)增加的事實(shí)。
對(duì)珊瑚生長(zhǎng)紋的研究(Wells, 1963)
Wells通過(guò)古生物估算結(jié)合同位素定年結(jié)果做出了如下的圖，其結(jié)果正好與天文學(xué)推算出的每年的日數(shù)演化完全符合！
隨后，Scrutton在1965年又討論了珊瑚化石生長(zhǎng)脊的意義。一個(gè)朔望月指的一個(gè)月的周期，代表著一次潮汐的變化，反應(yīng)于海水的環(huán)境，作用于珊瑚的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。每一個(gè)朔望月珊瑚便會(huì)生長(zhǎng)出一個(gè)溝間帶，每經(jīng)歷一個(gè)春秋便會(huì)生長(zhǎng)出一個(gè)脊。于是Scrutton在一個(gè)較好的中泥盆世珊瑚標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)隆起的脊之間正好有13個(gè)溝間帶，也就說(shuō)明了一年有13個(gè)月，正好對(duì)應(yīng)了所計(jì)算得到的，中泥盆世每年有13.04個(gè)月，一年399天。
除了珊瑚之外，很多化石也存在著明顯的生長(zhǎng)紋路。
例如，雙殼類(lèi)動(dòng)物，在雙殼的殼飾上有明顯的生長(zhǎng)紋。Bonham(1965)在研究太平洋中比基尼島附近的大硨磲(Tridacna gigas)時(shí)，在切面發(fā)現(xiàn)有兩處生長(zhǎng)層是由于50年代的兩次核爆炸的放射性條件下長(zhǎng)出的。在隨后的研究中，通過(guò)刻槽標(biāo)記的方法發(fā)現(xiàn)了雙殼按節(jié)律生長(zhǎng)的規(guī)律。但可惜的是，雙殼在閉合的時(shí)候會(huì)阻礙殼的生長(zhǎng)，所以無(wú)法通過(guò)雙殼的生長(zhǎng)紋來(lái)準(zhǔn)確判斷過(guò)去時(shí)長(zhǎng)的變化。
雙殼生長(zhǎng)紋
頭足類(lèi)生物具有更為明顯的生物紋路。鸚鵡螺就是典型的頭足類(lèi)生物，其從4億年前的奧陶紀(jì)就已經(jīng)存在，到現(xiàn)代印度洋—西太平洋珊瑚礁水域中仍有存活個(gè)體，所以能較好地與過(guò)去樣品對(duì)比?，F(xiàn)代鸚鵡螺殼內(nèi)的每?jī)善裟ぶg生長(zhǎng)線數(shù)量基本一致，平均有30條生長(zhǎng)線，與太陰月(29.53日)基本吻合。而對(duì)奧陶紀(jì)以來(lái)的鸚鵡螺殼內(nèi)生長(zhǎng)線數(shù)目變化進(jìn)行對(duì)比，也發(fā)現(xiàn)每月的生長(zhǎng)線數(shù)量是呈不穩(wěn)定的遞減過(guò)程，這也說(shuō)明了地球自轉(zhuǎn)速率減慢。另外，菊石、角石、箭石等滅絕的頭足類(lèi)動(dòng)物也發(fā)育較好的生長(zhǎng)紋。通過(guò)對(duì)古生物鐘和生長(zhǎng)紋的研究，研究人員還總結(jié)出奧陶紀(jì)以來(lái)地月參數(shù)的變化，得出月球正在遠(yuǎn)離地球的結(jié)論。
但是，最新的研究卻認(rèn)為鸚鵡螺此類(lèi)的動(dòng)物的紋層并不能反映環(huán)境周期性的變化，通過(guò)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下對(duì)鸚鵡螺培養(yǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，鸚鵡螺的每個(gè)氣室并不是相同時(shí)間生長(zhǎng)出來(lái)的，隨著氣室的增多所需要的生長(zhǎng)時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng)。比如，在生長(zhǎng)初期，鸚鵡螺形成一個(gè)腔室大約只需2星期，而最后幾個(gè)腔室的形成則均需要耗時(shí)6個(gè)月。而鸚鵡螺殼上的條狀螺紋，也僅僅是裝飾作用，與周期性變化無(wú)關(guān)，所以頭足類(lèi)的生長(zhǎng)紋路用于判斷每年的天數(shù)上并沒(méi)有太大用處。
現(xiàn)代鸚鵡螺
鸚鵡螺殼切面
香花菊石化石切面
四川條狀角石切面
04
疊層石延續(xù)傳奇
雖然許多生物生長(zhǎng)紋路在研究每年天數(shù)上并沒(méi)有多少積極作用，但人們對(duì)古生物鐘的研究并未停滯，我國(guó)古生物學(xué)家隨后起到了關(guān)鍵作用。
在元古宙廣泛分布的疊層石是極其有力的工具，在我國(guó)北方前寒武的碳酸鹽巖地層中經(jīng)常看到具有層狀構(gòu)造的巖石，那便是原始藻類(lèi)不斷地膠結(jié)沉降形成的有紋層的一類(lèi)化石，一層層規(guī)律生長(zhǎng)的疊層石宛如書(shū)畫(huà)一樣記錄著數(shù)十億年前前寒武紀(jì)環(huán)境的變化。直至在澳大利亞鯊魚(yú)灣等地還有著持續(xù)生長(zhǎng)的疊層石，這些藻類(lèi)生物最早在38億年前就已經(jīng)出現(xiàn)。最早是由Pannella(1972)肯定了疊層石的古生物鐘作用，疊層石紋路復(fù)雜很難區(qū)分哪些是每天的變化層或是每月的變化層，只有疊層石具有日生長(zhǎng)紋才能夠判斷遠(yuǎn)古時(shí)期的日平均長(zhǎng)度。通過(guò)將今論古的思想，對(duì)比了現(xiàn)生藻類(lèi)的生長(zhǎng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)了疊層石生長(zhǎng)是有日節(jié)律的。于是Pannella通過(guò)細(xì)致觀察，將疊層石的生長(zhǎng)紋分為了五級(jí)。
澳大利亞鯊魚(yú)灣疊層石
疊層石生長(zhǎng)紋分級(jí)
隨后，曹瑞驥(1991)在天津薊縣霧迷山組發(fā)現(xiàn)了一種藻席Pseudogymnosolen疊層石交替生長(zhǎng)的生物礁，發(fā)現(xiàn)了疊層石指示日、月、季的三級(jí)周期，并首次推算出12億年前地球每月的天數(shù)為40~49天。據(jù)此，天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所通過(guò)對(duì)五臺(tái)地區(qū)的沉積巖研究推論，五臺(tái)山滹沱群沉積時(shí)期平均每年有460多天。曹瑞驥對(duì)周口店地區(qū)鐵嶺組疊層石的研究和天津地礦所朱士興和黃學(xué)光教授對(duì)天津薊縣霧迷山組疊層石紋層的C、O同位素值測(cè)定得知，10億年前地球的一年至少有516±20天、12.9±0.5個(gè)月，一個(gè)月有40多天，一天只有16.99±0.66小時(shí)。由于疊層石年代古老的原因，這使得對(duì)每年日長(zhǎng)的判斷延伸到了前寒武時(shí)期，極大地推進(jìn)了古生物鐘的發(fā)展。
疊層石良好的生長(zhǎng)紋
還有很多類(lèi)似的古生物鐘值得去探討，不過(guò)受限于樣品數(shù)量和年齡不適用研究地質(zhì)歷史時(shí)期每年天數(shù)的變化，但依然具有很重要的古環(huán)境意義。例如，生物牙齒的橫切面、鯊魚(yú)的脊椎骨切面、龜鱉的甲殼生長(zhǎng)紋、帶角生物的切面、腕足生物的殼飾等等都可以看到一層層生長(zhǎng)的痕跡。這些生物鐘在記錄著這些生物的生命歷程的同時(shí)，也見(jiàn)證了地球環(huán)境的變化。或許單個(gè)生命反應(yīng)的這些變化是微小的，或許沒(méi)有規(guī)律可言，但是累積的記錄，從量變?cè)俚劫|(zhì)變，我們可以清楚地看到從前寒武紀(jì)有生命以來(lái)，地球想告訴我們的一切。
一些生物的生長(zhǎng)紋
05
一些猜想
對(duì)于古生物鐘是否能記錄地質(zhì)環(huán)境的變化，尚有一些爭(zhēng)論。有人堅(jiān)持內(nèi)生論，指的是某些生物體從遺傳上就帶有一種像鐘一樣的而且能夠周而復(fù)始的循環(huán)周期，不受外界的影響（如生物周期說(shuō)）。而外生論則堅(jiān)持生物所以能夠像上好了弦的鐘表，本要原因是受到了外來(lái)的有節(jié)律的刺激信號(hào)，溫度、水分、地球自轉(zhuǎn)等都是信號(hào)的來(lái)源。盡管大量的事實(shí)和統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)都支持在了外生論這一方，但是古生物鐘的科學(xué)成因目前仍是古生物學(xué)家努力的方向。
基于對(duì)地球自轉(zhuǎn)速率變化的推導(dǎo)不難得出地球自轉(zhuǎn)越來(lái)越慢的事實(shí)，但是如果我們將時(shí)間再往前推，試著討論12億年前地球的特征，會(huì)發(fā)現(xiàn)一件可怕的事情。由于每年天數(shù)的變化與時(shí)間竟有著良好的線性關(guān)系，所以在地球形成初期地球的自轉(zhuǎn)速度可能是非常非常快的，甚至一天可能只有4個(gè)小時(shí)，一年將會(huì)有2190天！另一件可怕的事情是，如果我們把推算的時(shí)間往未來(lái)延伸，會(huì)發(fā)現(xiàn)地球終有一天會(huì)進(jìn)入暮年，她不再能自由地自轉(zhuǎn)，變成了一個(gè)僅隨太陽(yáng)公轉(zhuǎn)而失去了自理能力。當(dāng)?shù)厍虮惶?yáng)潮汐鎖定位置時(shí)，停止了自轉(zhuǎn)，將有一面永遠(yuǎn)是極地，一面永遠(yuǎn)是炎熱干旱！那時(shí)候一天可能要100多個(gè)小時(shí)，生物的作息也會(huì)發(fā)現(xiàn)劇變，每個(gè)人的工作時(shí)間被無(wú)情地延長(zhǎng)了好幾倍(當(dāng)然那時(shí)候可能人類(lèi)已經(jīng)找到了新的棲息地……)。當(dāng)然，這一切的假設(shè)都比較玄幻，有很多的前提條件，比如我們常常會(huì)認(rèn)為地球公轉(zhuǎn)的時(shí)長(zhǎng)是確定的，太陽(yáng)的性質(zhì)是始終沒(méi)有變動(dòng)的等等，這就會(huì)引起一些估算上的誤差。實(shí)際上，46億年是個(gè)極其漫長(zhǎng)的過(guò)程，這其中眾多的變數(shù)是目前很難猜想的。
究其原因，地球?yàn)槭裁磿?huì)自轉(zhuǎn)地越來(lái)越慢呢？這件事情始終沒(méi)有定論，很多人認(rèn)為可能是由于長(zhǎng)時(shí)間太陽(yáng)潮汐對(duì)地球的摩擦力，使得地球不斷減速；也有人認(rèn)為地球自身能量的消耗，地球正在老去；也有人認(rèn)為由于地幔最深處后鈣鈦礦的導(dǎo)電性差異的原因?qū)е碌厍虻淖赞D(zhuǎn)速度是有周期性變化的，每十年會(huì)增加或者減少千分之三至千分之四秒。但是終歸沒(méi)有定論，對(duì)于地球，甚至只是自然界，人類(lèi)還有著很多的未知沒(méi)能解決，需要更多地球科學(xué)家不斷地努力，前仆后繼地去解決更多的秘密。
來(lái)源： 中科院高能所
