震驚,一年竟有424天!
2020年12月11日11:19

  來源:中科院地質地球所

  轉眼間2020年餘額已經所剩無幾,尤其是今年給人的感覺過得尤其之快,彷彿轉眼間又從去年的冬天到了今年的冬天。

  然而,面對成堆的科研壓力和滿地的頭髮,總是在一年的最後這段時間希望時間過得慢一些,一年能多出幾個月供我們揮霍。

  在早在5億多年前的寒武紀時期,一年竟有424天!相對於今天多出了兩個月的時間,相對應每天的時長也有縮短。這一驚人的發現竟然是通過對古生物學的觀察得出的。

  生長習性指的是生物長期與環境相互作用形成的生活習慣和生態習性。生態習性是生物的固有屬性,生活習性是生物能良好生存的生活環境。所以,生物的習性變化很大程度可以反映環境的演化,當這一方法運用到古生物上將會起到巨大的作用。

  生物的生長離不開生活環境的製約,地球的自轉、公轉、氣候變化、四季交替等變化都會在生物上產生週期性的影響。

  樹有輪,節有節。不同生物的習性可以記錄複雜的環境變化,不同的環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似於“樹木年輪”的記錄,清晰地記錄著地質歷史時期滄海桑田的變遷。早在90年前,馬廷英(1933)就注意到珊瑚的生長線反映了海水水溫的季節性變化,他發現遠離赤道的珊瑚在結構上反映季節變化更明顯,這為古生物學在研究環境演化上起到了先驅性的作用。化石對時間記錄的研究,直到上世紀70年代被尹讚勳院士定義為“古生物鍾”,用以探討對地球環境的記錄,這一名稱也得到了學術界的一致認可。

  下面,就帶大家瞭解一下人們是如何認識古生物鍾,又是如何通過古生物鍾破解地球演化的驚天大案的。

  古生物鍾

  植物的開花結果,動物的冬眠甦醒,自然界的生物如同完成自己的使命一樣,總是按部就班的進行著生物活動。彷彿每個生物心中都有一個永動的鍾表,隨時提醒你到了什麼季節該完成什麼工作。當這些生長活動反映在生物身上可能會產生有週期性的痕跡,如同樹木年輪一樣,這樣的痕跡就被叫做生物鍾。

 樹木年輪
 樹木年輪
年輪與氣候變化
年輪與氣候變化
現代深海單體珊瑚
現代深海單體珊瑚

  而古生物化石身上也同樣具有的生長週期的痕跡,這些生長痕跡隨著生物體被石化成化石而被完整的保留下來,這些痕跡就被稱為“古生物鍾”。古生物鍾記錄了這些生物當時的生長信息,為我們解讀地質歷史時期環境的演化提供了重要的依據。

  而珊瑚化石往往保存完整,如同現代珊瑚一樣,珊瑚對海水環境要求苛刻,而且生長極易受到環境變化的影響,因此常有人用珊瑚化石發育情況試圖恢復古氣候帶。且珊瑚的生長紋層具有週期性規律,可以反映季節的變化,具有與樹輪相似的特徵,因此珊瑚也被稱為“海上樹輪”。且珊瑚早在奧陶紀就出現並快速發展壯大,且化石往往保存完整。因此,研究地球歷史環境的變化,珊瑚常常是個有利的工具。而對珊瑚化石的研究甚至解決了連物理學家都沒有說明白的地球自轉問題。

單體珊瑚化石
單體珊瑚化石
日射脊板珊瑚化石
日射脊板珊瑚化石

  古地球自轉謎題

  我們都知道,地球每繞太陽公轉一週,便經曆了365個晝夜,準確來說一個恒星年是365日6時9分10秒,自從人類記錄時間以來,每年以來一直如此,未曾更迭。但是隨著科學研究的不斷深入,從18世紀開始,地球物理學家和天文史學家逐漸發現了問題。

  通過長期對月球繞地球公轉的長期觀察發現,月球公轉的速度越來越快,有一個緩慢地加速度。最初人們認為,這種引起緩慢加速的原因有兩種,一是因為月球自身的加速,或是因為地球自轉變慢。拉普拉斯認為月球的加速是因為太陽對月球軌道偏心率的作用,使得月球在黃經上有個加速度,產生了長週期的攝動;也有人認為地球自轉的減慢是因為長期太陽潮汐的摩擦。

  一時間眾說紛紜,沒有定論,這一爭論一直持續到了20世紀。人類通過300多年對日長的精確記錄和分析發現,每一百年每天就會增加1.6毫秒。照這個增長速率,12億年前,一天僅有18.8個小時。這也說明了地球自轉的速率正在逐漸降低。

  地球老了,她轉得越來越慢了。但是始終沒有物理學家可以拿出準確證據來證明這一現象。

  珊瑚告訴了我們一切

  當天文學家和地球物理學家面對這一問題苦於無法證明之時,古生物學家拿著珊瑚化石站了出來,打破了這一困境。

  1963年Wells發表了一篇重要的Nature文章,他發現現代珊瑚中一年生長了大約360條很細的生長線,並指出這些生長線實際上可能是每天生長週期的標誌。Wells又研究了產於泥盆紀和石炭紀保存良好的標本,他發現石炭紀珊瑚每年生長線為385-390圈,而泥盆紀珊瑚有每年400圈生長線左右(385-410條之間)。這與用天文學方法求得的各地質時期每年的天數大體相等。

  據計算,寒武紀每晝夜為20.8小時,泥盆紀21.6小時,石炭紀21.8小時,三疊紀22.4小時。白堊紀23.5小時。現在一天是24小時。如果我們知道了每年天數的變化,就可利用觀察化石生長線得知的每年天數來確定其地質時代。

  這篇文章一經問世,引起了天文學、地球物理學、地質學等多方面學者們的一致好評,從實際上證明了地球自轉逐漸變慢、日長增加的事實。

對珊瑚生長紋的研究(Wells, 1963)
對珊瑚生長紋的研究(Wells, 1963)

  Wells通過古生物估算結合同位素定年結果做出了如下的圖,其結果正好與天文學推算出的每年的日數演化完全符合!

  隨後,Scrutton在1965年又討論了珊瑚化石生長脊的意義。一個朔望月指的一個月的週期,代表著一次潮汐的變化,反應於海水的環境,作用於珊瑚的生長結構。每一個朔望月珊瑚便會生長出一個溝間帶,每經曆一個春秋便會生長出一個脊。於是Scrutton在一個較好的中泥盆世珊瑚標本中發現,兩個隆起的脊之間正好有13個溝間帶,也就說明了一年有13個月,正好對應了所計算得到的,中泥盆世每年有13.04個月,一年399天。

  除了珊瑚之外,很多化石也存在著明顯的生長紋路。

  例如,雙殼類動物,在雙殼的殼飾上有明顯的生長紋。Bonham(1965)在研究太平洋中比堅尼島附近的大硨磲(Tridacna gigas)時,在切面發現有兩處生長層是由於50年代的兩次核爆炸的放射性條件下長出的。在隨後的研究中,通過刻槽標記的方法發現了雙殼按節律生長的規律。但可惜的是,雙殼在閉合的時候會阻礙殼的生長,所以無法通過雙殼的生長紋來準確判斷過去時長的變化。

雙殼生長紋
雙殼生長紋

  頭足類生物具有更為明顯的生物紋路。鸚鵡螺就是典型的頭足類生物,其從4億年前的奧陶紀就已經存在,到現代印度洋—西太平洋珊瑚礁水域中仍有存活個體,所以能較好地與過去樣品對比。

  現代鸚鵡螺殼內的每兩片隔膜之間生長線數量基本一致,平均有30條生長線,與太陰月(29.53日)基本吻合。而對奧陶紀以來的鸚鵡螺殼內生長線數目變化進行對比,也發現每月的生長線數量是呈不穩定的遞減過程,這也說明了地球自轉速率減慢。

  另外,菊石、角石、箭石等滅絕的頭足類動物也發育較好的生長紋。通過對古生物鍾和生長紋的研究,研究人員還總結出奧陶紀以來地月參數的變化,得出月球正在遠離地球的結論。

  但是,最新的研究卻認為鸚鵡螺此類的動物的紋層並不能反映環境週期性的變化,通過現代實驗室培養條件下對鸚鵡螺培養觀察發現,鸚鵡螺的每個氣室並不是相同時間生長出來的,隨著氣室的增多所需要的生長時間也會變長。比如,在生長初期,鸚鵡螺形成一個腔室大約只需2星期,而最後幾個腔室的形成則均需要耗時6個月。而鸚鵡螺殼上的條狀螺紋,也僅僅是裝飾作用,與週期性變化無關,所以頭足類的生長紋路用於判斷每年的天數上並沒有太大用處。

 現代鸚鵡螺
 現代鸚鵡螺
鸚鵡螺殼切面
鸚鵡螺殼切面
香花菊石化石切面
香花菊石化石切面
四川條狀角石切面
四川條狀角石切面

  疊層石延續傳奇

  雖然許多生物生長紋路在研究每年天數上並沒有多少積極作用,但人們對古生物鍾的研究並未停滯,中國古生物學家隨後起到了關鍵作用。

  在元古宙廣泛分佈的疊層石是極其有力的工具,在中國北方前寒武的碳酸鹽岩地層中經常看到具有層狀構造的岩石,那便是原始藻類不斷地膠結沉降形成的有紋層的一類化石,一層層規律生長的疊層石宛如書畫一樣記錄著數十億年前前寒武紀環境的變化。直至今日在澳州鯊魚灣等地還有著持續生長的疊層石,這些藻類生物最早在38億年前就已經出現。

  最早是Pannella(1972)肯定了疊層石的古生物鍾作用,疊層石紋路複雜很難區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紋才能夠判斷遠古時期的日平均長度。通過將今論古的思想,對比了現生藻類的生長規律發現了疊層石生長是有日節律的。於是Pannella通過細緻觀察,將疊層石的生長紋分為了五級。

澳州鯊魚灣疊層石
澳州鯊魚灣疊層石
疊層石生長紋分級
疊層石生長紋分級

  隨後,曹瑞驥(1991)在天津薊縣霧迷山組發現了一種藻席Pseudogymnosolen疊層石交替生長的生物礁,發現了疊層石指示日、月、季的三級週期,並首次推算出12億年前地球每月的天數為40~49天。據此,天津地質礦產研究所通過對五台地區的沉積岩研究推論,五台山滹沱群沉積時期平均每年有460多天。

  曹瑞驥對周口店地區鐵嶺組疊層石的研究和天津地礦所朱士興和黃學光教授對天津薊縣霧迷山組疊層石紋層的C、O同位素值測定得知,10億年前地球的一年至少有516±20天、12.9±0.5個月,一個月有40多天,一天只有16.99±0.66小時。由於疊層石年代古老的原因,這使得對每年日長的判斷延伸到了前寒武時期,極大地推進了古生物鍾的發展。

疊層石良好的生長紋
疊層石良好的生長紋

  還有很多類似的古生物鍾值得去探討,不過受限於樣品數量和年齡不適用研究地質歷史時期每年天數的變化,但依然具有很重要的古環境意義。例如,生物牙齒的橫切面、鯊魚的脊椎骨切面、龜鱉的甲殼生長紋、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的痕跡。這些生物鍾在記錄著這些生物的生命曆程的同時,也見證了地球環境的變化。

  或許單個生命反應的這些變化是微小的,或許沒有規律可言,但是累積的記錄,從量變再到質變,我們可以清楚地看到從前寒武紀有生命以來,地球想告訴我們的一切。

  一些猜想

  對於古生物鍾是否能記錄地質環境的變化,尚有一些爭論。

  有人堅持內生論,指的是某些生物體從遺傳上就帶有一種像鍾一樣的而且能夠周而複始的循環週期,不受外界的影響(如生物週期說)。而外生論則堅持生物所以能夠像上好了弦的鍾表,本要原因是受到了外來的有節律的刺激信號,溫度、水分、地球自轉等都是信號的來源。

  儘管大量的事實和統計學數據都支援在了外生論這一方,但是古生物鍾的科學成因目前仍是古生物學家努力的方向。

  基於對地球自轉速率變化的推導不難得出地球自轉越來越慢的事實,但是如果我們將時間再往前推,試著討論12億年前地球的特徵,會發現一件可怕的事情。由於每年天數的變化與時間竟有著良好的線性關係,所以在地球形成初期地球的自轉速度可能是非常非常快的,甚至一天可能只有4個小時,一年將會有2190天!

  另一件可怕的事情是,如果我們把推算的時間往未來延伸,會發現地球終有一天會進入暮年,她不再能自由地自轉,變成了一個僅隨太陽公轉而失去了自理能力。當地球被太陽潮汐鎖定位置時,停止了自轉,將有一面永遠是極地,一面永遠是炎熱乾旱!那時候一天可能要100多個小時,生物的作息也會發現劇變,每個人的工作時間被無情地延長了好幾倍(當然那時候可能人類已經找到了新的棲息地……)。

  當然,這一切的假設都比較玄幻,有很多的前提條件,比如我們常常會認為地球公轉的時長是確定的,太陽的性質是始終沒有變動的等等,這就會引起一些估算上的誤差。實際上,46億年是個極其漫長的過程,這其中眾多的變數是目前很難猜想的。

  究其原因,地球為什麼會自轉地越來越慢呢?

  這件事情始終沒有定論,很多人認為可能是由於長時間太陽潮汐對地球的摩擦力,使得地球不斷減速;也有人認為地球自身能量的消耗,地球正在老去;也有人認為由於地幔最深處後鈣鈦礦的導電性差異的原因導致地球的自轉速度是有週期性變化的,每十年會增加或者減少千分之三至千分之四秒。

  但是終歸沒有定論,對於地球,甚至只是自然界,人類還有著很多的未知沒能解決,需要更多地球科學家不斷地努力,前仆後繼地去解決更多的秘密。

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