我们的一年,比霸王龙少了7天:用一只贝壳,科学家窥见7000万年前的日夜

作者: 环球科学

来源: 环球科学

发布日期: 2020-03-18

一项研究通过分析7000万年前白垩纪晚期的双壳动物化石,揭示了当时地球的一天只有约23.5小时,一年有372±8.4天。这一发现帮助科学家了解地球自转速率的变化以及地月系统的演化历史。

想象你乘坐时光机穿越到了白垩纪,经过艰辛的挣扎求生,你看了眼表,感叹终于到了23:30,还有半小时就成功存活到第二天了!就在这时,一只霸王龙从身后靠近了你,用它的小短手戳了戳你后背:“兄弟你想啥呢,这不都已经第二天了?”你一路逃跑,边跑还边纳闷:“怎么回事啊,说好的一天24小时呢,怎么不一样了?”不用慌张,你应当还在地球上。

最近一项发表于《古海洋学与古气候学》的研究显示,在7000万年前的白垩纪晚期,地球的一天只有约23.5小时。

地球的自转速率是如何随时间变化的,这对科学家来说是一个有趣的挑战。毕竟,我们无法回到过去直接体验并记录当时的环境。想要了解这些信息,研究者只能像侦探一样,从可能的地质证据中寻找蛛丝马迹。一种名为Torreites sanchezi的双壳动物的化石,就为远古地球环境的复原提供了高清证据。双壳动物是一种在身体左右两侧具有两瓣对称外壳的软体动物,我们现在吃的蛤蜊、扇贝等都属于双壳类。

双壳类一直是古气候与古环境学中经常使用的研究对象。就像树木拥有年轮一样,它们的壳体也有生长线或生长纹。由于地理位置、气候等因素的不同,树木的生长速度会发生变化,从而影响年轮的疏密及清晰程度。同样,双壳类的生长线也能反映类似的环境条件。这篇论文研究的化石非常特别,它的生长线精度极高,且保存完好。

研究者通过显微镜观察发现,T. sanchezi的壳体中,浅色和深色纹层交替出现,每一组浅色与深色的纹层仅有约40微米厚。这就是它昼夜生长的痕迹——白天长出的壳体颜色浅,夜晚长出的颜色深。

日复一日,这些纹层记录下7000万年前的每一天。研究者还发现,浅色和深色纹层的厚度比例呈现出以15天和30天为周期的变化,这很可能代表了潮汐和月度的周期。在此基础上,研究者进一步识别出了季度和年度周期。研究显示,该个体至少生存了9年,其中4年的生长线非常清晰、完整,提供了绝佳的研究材料。

除了肉眼可以看见的颜色变化,研究者还测量了壳体不同纹层中的稳定同位素(δ18O与δ13C)及微量元素(Ca、Mg、Sr、Li)含量,同样从这些化学指标中检测出变化周期。综合两种手段,经过进一步校准,研究者数出在该个体生存的时代,一年中有372±8.4天。考虑到地球公转轨道相对稳定,即每一年的总时长基本不变,由此可以算出,7000万年前的一天只有约23.5小时。

T. sanchezi生存于热带浅海,是一种底栖固着生存的蛤类,因此也被称为“固着蛤”,但它们在大约6600万年前,白垩纪末期的大灭绝事件中,就和恐龙一起灭绝了。论文通讯作者,比利时布鲁塞尔自由大学(Vrije Universiteit Brussel)的地球化学家尼尔斯·德温特(Niels de Winter)介绍道:“固着蛤是一种独特的动物,现在已经没有任何类似的双壳类动物了。

在白垩纪晚期,这种双壳动物分布非常广泛,而且是重要的造礁生物。它们当时在生态系统中的作用,类似于我们现代的珊瑚。”

研究使用了激光刻蚀-电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS),该设备能用激光从壳上打下一连串直径只有10微米的小点,从而对壳体的不同部位连续取样,以分析微量元素的含量。在壳体生长时,环境温度及海水的成分都会影响其微量元素的比例。

因此通过测量微量元素,甚至能够还原出当时每一天的环境变化。德温特对此感到非常惊喜:“我们在每天的生长带中都能采到4、5个数据点,这种精度在地学研究中是很难达到的。我们基本上看到了7000万年前的每一天,这太神奇了!”

研究显示,白垩纪晚期的海洋温度比以前认为的还要高,夏天可以达到40℃,冬天也超过了30℃。作者在研究中提出,夏季的高温可能已经接近了软体动物的生理极限。

LA-ICP-MS带来的另一个有趣的结果是,相比起不同季节的差异,壳体的成分在白天与夜晚的差异更大。白天壳体的生长速度很快,而夜晚则较慢。在研究中,作者指出,这种双壳对日周期有很强的依赖性,这代表它的生长与光合作用有关。研究提出,这种蛤很可能与某种能进行光合作用的生物共生。

这种现象类似于现生的砗磲,它会与虫黄藻共生——虫黄藻可以借助砗磲的外套膜有效觅食及繁殖,砗磲则可以拿虫黄藻当“小灶”,以维持巨大体型的消耗。

在地球历史上,一年的天数一直在减少,或者说,每天的时间在持续增加。这是因为月亮引力导致的潮汐摩擦力会使得地球的自转速度变慢,这也被称为“潮汐摩擦”。相对的,潮汐的拉动会使月球在其轨道上略微加速,因此在地球自转变慢的同时,月球的轨道也正在远离地球。

通过月球表面的激光测量仪器,测得月球远离我们的速度目前约为每年3.82厘米。但科学家提出,在历史上,月球远离地球的速度并非保持不变。道理很简单——如果按照现有速度回推的话,那么14亿年前,月球应当在地球内部。显然,目前对月球年龄的推测远大于14亿年(普遍认为是45亿年)。而本文提到的这项研究,帮助我们了解了地月系统漫长演化历史中的一个瞬间。

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