转眼间,2020呼啸而去,2021年的第一个假期也如约而至。假期里,你一定希望时间能过得慢一些,希望能再多几天假期,好让自己能短暂逃避成堆的科研压力,让自己的头发掉得慢一点。或者,一年多出几天也可以啊!在遥远的过去,还真的是这样呢!在早在5亿多年前的寒武纪时期,一年竟有424天!相对于今天多出了两个月的时间,相对应每天的时长也有缩短。这一惊人的发现竟然是通过对古生物学的观察得出的。
生长习性指的是生物长期与环境相互作用形成的生活习惯和生态习性。生态习性是生物的固有属性,生活习性是生物能良好生存的生活环境。所以,生物的习性变化很大程度可以反映环境的演化,当这一方法运用到古生物上将会起到巨大的作用。生物的生长离不开生活环境的制约,地球的自转、公转、气候变化、四季交替等变化都会在生物上产生周期性的影响。
我们的目标就是做一个科学、严谨、生动、有趣的地球科学科普平台。树有轮,节有节。不同生物的习性可以记录复杂的环境变化,不同的环境变化也可以在生物身上留下深刻的记录。很多生物表面都有着类似于“树木年轮”的记录,清晰地记录着地质历史时期沧海桑田的变迁。
早在90年前,马廷英(1933)就注意到珊瑚的生长线反映了海水水温的季节性变化,他发现远离赤道的珊瑚在结构上反映季节变化更明显,这为古生物学在研究环境演化上起到了先驱性的作用。化石对时间记录的研究,直到上世纪70年代被尹赞勋院士定义为“古生物钟”,用以探讨对地球环境的记录,这一名称也得到了学术界的一致认可。
植物的开花结果,动物的冬眠苏醒,自然界的生物如同完成自己的使命一样,总是按部就班的进行着生物活动。仿佛每个生物心中都有一个永动的钟表,随时提醒你到了什么季节该完成什么工作。当这些生长活动反映在生物身上可能会产生有周期性的痕迹,如同树木年轮一样,这样的痕迹就被叫做生物钟。
而古生物化石身上也同样具有的生长周期的痕迹,这些生长痕迹随着生物体被石化成化石而被完整的保留下来,这些痕迹就被称为“古生物钟”。古生物钟记录了这些生物当时的生长信息,为我们解读地质历史时期环境的演化提供了重要的依据。
我们都知道,地球每绕太阳公转一周,便经历了365个昼夜,准确来说一个恒星年是365日6时9分10秒,自从人类记录时间以来,每年以来一直如此,未曾更迭。但是随着科学研究的不断深入,从18世纪开始,地球物理学家和天文史学家逐渐发现了问题。
通过长期对月球绕地球公转的长期观察发现,月球公转的速度越来越快,有一个缓慢地加速度。最初人们认为,这种引起缓慢加速的原因有两种,一是因为月球自身的加速,或是因为地球自转变慢。拉普拉斯认为月球的加速是因为太阳对月球轨道偏心率的作用,使得月球在黄经上有个加速度,产生了长周期的摄动;也有人认为地球自转的减慢是因为长期太阳潮汐的摩擦。一时间众说纷纭,没有定论,这一争论一直持续到了20世纪。
珊瑚告诉了我们一切。当天文学家和地球物理学家面对这一问题苦于无法证明之时,古生物学家拿着珊瑚化石站了出来,打破了这一困境。1963年Wells发表了一篇重要的Nature文章,他发现现代珊瑚中一年生长了大约360条很细的生长线,并指出这些生长线实际上可能是每天生长周期的标志。
Wells通过古生物估算结合同位素定年结果做出了如下的图,其结果正好与天文学推算出的每年的日数演化完全符合!随后,Scrutton在1965年又讨论了珊瑚化石生长脊的意义。一个朔望月指的一个月的周期,代表着一次潮汐的变化,反应于海水的环境,作用于珊瑚的生长结构。
除了珊瑚之外,很多化石也存在着明显的生长纹路。例如,双壳类动物,在双壳的壳饰上有明显的生长纹。Bonham(1965)在研究太平洋中比基尼岛附近的大砗磲(Tridacna gigas)时,在切面发现有两处生长层是由于50年代的两次核爆炸的放射性条件下长出的。
头足类生物具有更为明显的生物纹路。鹦鹉螺就是典型的头足类生物,其从4亿年前的奥陶纪就已经存在,到现代印度洋—西太平洋珊瑚礁水域中仍有存活个体,所以能较好地与过去样品对比。现代鹦鹉螺壳内的每两片隔膜之间生长线数量基本一致,平均有30条生长线,与太阴月(29.53日)基本吻合。
虽然许多生物生长纹路在研究每年天数上并没有多少积极作用,但人们对古生物钟的研究并未停滞,中国古生物学家随后起到了关键作用。在元古宙广泛分布的叠层石是极其有力的工具,在中国北方前寒武的碳酸盐岩地层中经常看到具有层状构造的岩石,那便是原始藻类不断地胶结沉降形成的有纹层的一类化石,一层层规律生长的叠层石宛如书画一样记录着数十亿年前前寒武纪环境的变化。
对于古生物钟是否能记录地质环境的变化,尚有一些争论。有人坚持内生论,指的是某些生物体从遗传上就带有一种像钟一样的而且能够周而复始的循环周期,不受外界的影响(如生物周期说)。而外生论则坚持生物所以能够像上好了弦的钟表,本要原因是受到了外来的有节律的刺激信号,温度、水分、地球自转等都是信号的来源。
基于对地球自转速率变化的推导不难得出地球自转越来越慢的事实,但是如果我们将时间再往前推,试着讨论12亿年前地球的特征,会发现一件可怕的事情。由于每年天数的变化与时间竟有着良好的线性关系,所以在地球形成初期地球的自转速度可能是非常非常快的,甚至一天可能只有4个小时,一年将会有2190天!
另一件可怕的事情是,如果我们把推算的时间往未来延伸,会发现地球终有一天会进入暮年,她不再能自由地自转,变成了一个仅随太阳公转而失去了自理能力的“老人”。当地球被太阳潮汐锁定位置时,停止了自转,将有一面永远是极地,一面永远是炎热干旱!那时候一天可能有100多个小时,生物的作息也会发现剧变,每个人的工作时间被无情地延长了好几倍(当然那时候可能人类已经找到了新的栖息地……)。
究其原因,地球为什么会自转地越来越慢呢?这件事情始终没有定论,很多人认为可能是由于长时间太阳潮汐对地球的摩擦力,使得地球不断减速;也有人认为地球自身能量的消耗,地球正在老去;也有人认为由于地幔最深处后钙钛矿的导电性差异的原因导致地球的自转速度是有周期性变化的,每十年会增加或者减少千分之三至千分之四秒。
但是终归没有定论,对于地球,甚至只是自然界,人类还有着很多的未知没能解决,需要更多地球科学家不断地努力,前仆后继地去解决更多的秘密。