一年多几天该多好?曾经,地球上一年有424天!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。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。
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。珊瑚化石往往保存完整,如同现代珊瑚一样,珊瑚对海水环境要求苛刻,而且生长极易受到环境变化的影响,因此常有人用珊瑚化石发育情况试图恢复古气候带。且珊瑚的生长纹层具有周期性规律,可以反映季节的变化,具有与树轮相似的特征,因此珊瑚也被称为“海上树轮”。
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。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又研究了产于泥盆纪和石炭纪保存良好的标本,他发现石炭纪珊瑚每年生长线为385-390圈,而泥盆纪珊瑚有每年400圈生长线左右(385-410条之间)。这与用天文学方法求得的各地质时期每年的天数大体相等。
如果我们知道了每年天数的变化,就可利用观察化石生长线得知的每年天数来确定其地质时代。这篇文章一经问世,引起了天文学、地球物理学、地质学等多方面学者们的一致好评,从实际上证明了地球自转逐渐变慢、日长增加的事实。
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。
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。