一年竟有424天

2020-03-13 08:54Redlichia

飛碟探索 2020年6期

文｜Redlichia

大多數(shù)時候，人們總會希望時間過得慢一些，一年如果能多出幾個月那就再好不過了。早在5億多年前的寒武紀(jì)（距今5.42億～4.85億年前）時期，一年的天數(shù)可能更合今天人們的心意——竟有424天，相比現(xiàn)在多出了2個月的時間，而相對應(yīng)的，每天的時長也有縮短。這一驚人的結(jié)論是從哪里得來的呢？古生物學(xué)的觀察將為我們解答。

這些觀察基于一種重要的認(rèn)識，即生物的生長習(xí)性。生長習(xí)性是指生物長期與環(huán)境相互作用形成的生態(tài)習(xí)性和生活習(xí)性。前者是生物的固有屬性，后者則來自生物的生存環(huán)境。所以，生物習(xí)性的變化很大程度上可以反映環(huán)境的演化，當(dāng)這一方法被運(yùn)用于古生物研究，就發(fā)揮出了巨大的作用。

地質(zhì)歷史時期

地質(zhì)時期指地球歷史中有地層記錄的一段漫長的時期。由于目前已發(fā)現(xiàn)的地球上最老的地層同位素年齡值約為46億年，因此一般以46億年為界將地球歷史分為兩大階段：46億年以前階段，稱為“天文時期”或“前地質(zhì)時期”；46億年以后階段，稱為“地質(zhì)時期”。在各地質(zhì)時期，與地球相關(guān)的宇宙空間、太陽系，以及地球上發(fā)生的大事件，會在地球的地殼運(yùn)動、巖石、構(gòu)造、古生物、地磁、古氣候等多方面留下記錄。不同地質(zhì)時期的地質(zhì)作用不同，形成的特征也不同。地質(zhì)歷史時期，則主要指現(xiàn)代以前（第四紀(jì)全新世以前，即人類繁榮以前）地球上的各個地質(zhì)時期。

生物的生長離不開生活環(huán)境的制約，地球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、氣候變化、四季交替等都會對生物產(chǎn)生周期性的影響。樹有輪，竹有節(jié)，不同生物的習(xí)性可以記錄復(fù)雜的環(huán)境變化，很多古老生物體上都有類似樹輪的痕跡，清晰地記錄著地質(zhì)歷史時期滄海桑田的變遷。早在1933年，我國古生物學(xué)家馬廷英就注意到，珊瑚的生長線能反映海水水溫的季節(jié)性變化，而遠(yuǎn)離赤道的珊瑚在結(jié)構(gòu)上反映季節(jié)變化的特征則更明顯，這成為利用古生物學(xué)研究環(huán)境演化的先驅(qū)性發(fā)現(xiàn)。對化石中時間記錄的研究，在20世紀(jì)70年代由中國科學(xué)院尹贊勛院士定義為“古生物鐘”，用以探討古生物對地球環(huán)境的記錄，這一名稱也得到了學(xué)術(shù)界的一致認(rèn)可。

那么，人們是如何認(rèn)識古生物鐘，又是如何通過古生物鐘破解地球演化的驚天大案的呢？

神奇的古生物鐘

植物會開花結(jié)果，動物有冬眠蘇醒，自然界的生物總是如同完成自己的使命一般，按部就班地進(jìn)行著生物活動，仿佛每個生物心中都有一個永動的鐘表，隨時提醒到了什么季節(jié)該完成什么工作。當(dāng)這些生長活動反映在生物身上，就可能留下周期性的痕跡，如同樹木的年輪，這樣的痕跡就是“生物鐘”。

從樹木年輪看氣候變化

古生物化石上也同樣有生物生長周期的痕跡，這些生長痕跡隨著生物體被石化，完整地保留了下來，成為“古生物鐘”，能夠?yàn)槲覀兘庾x地質(zhì)歷史時期環(huán)境的演化提供重要依據(jù)。

如珊瑚化石。珊瑚早在奧陶紀(jì)（距今4.8億～4.4億年前）就出現(xiàn)并快速發(fā)展壯大，其化石通常保存完整，且如同現(xiàn)代珊瑚一樣，古珊瑚對海水環(huán)境要求苛刻，生長極易受到環(huán)境變化的影響，其生長紋層極具周期性規(guī)律，有與樹輪相似的特征，能反映季節(jié)的變化，被稱為“海上樹輪”。因此，常有人用珊瑚化石的發(fā)育情況來進(jìn)行古氣候帶的恢復(fù)研究。而更神奇的是，對珊瑚化石的研究甚至解決了連物理學(xué)家都沒能說明白的地球自轉(zhuǎn)問題。

地球自轉(zhuǎn)之謎

我們都知道，地球每繞太陽公轉(zhuǎn)一周，便經(jīng)歷了365個晝夜，準(zhǔn)確來說，公轉(zhuǎn)一周的一個恒星年是365日6時9分10秒。自人類記錄時間以來，每年如此，未曾有變。但是，隨著科學(xué)研究的不斷深入，從18世紀(jì)開始，地球物理學(xué)家和天文史學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)了問題。

通過長期對月球繞地球公轉(zhuǎn)的觀察發(fā)現(xiàn)，月球公轉(zhuǎn)的速度越來越快，有一個緩慢的加速度。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)樵虑蜃陨砑铀伲且驗(yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)變慢。法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家拉普拉斯認(rèn)為，月球的加速是因?yàn)樘枌υ虑蚬D(zhuǎn)軌道偏心率的作用，使得月球在黃經(jīng)上有個加速度，產(chǎn)生了長周期的攝動；也有人認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)的減慢是因?yàn)殚L期的太陽潮汐摩擦所致。一時間眾說紛紜，沒有定論。

這一爭論一直持續(xù)到20世紀(jì)。通過300多年對日長的精確記錄和分析，人們發(fā)現(xiàn)，每過100年，一天就會增加1.6毫秒。照這個增長速度反推到12億年前，一天僅有18.8個小時。這也說明了地球自轉(zhuǎn)的速度正在逐漸變慢。

珊瑚記錄的秘密

當(dāng)天文學(xué)家和地球物理學(xué)家面對這一問題苦于無法證明之時，古生物學(xué)家拿著珊瑚化石站了出來，打破了這一困境。

1963年，美國康奈爾大學(xué)的威爾斯教授發(fā)表了一篇重要的文章，指出現(xiàn)代珊瑚一年生長了大約360圈很細(xì)的生長線，這實(shí)際上可能代表了現(xiàn)代珊瑚以天為單位的生長周期。威爾斯又研究了產(chǎn)于泥盆紀(jì)（距今4.05億～3.5億年前）和石炭紀(jì)（距今3.55億～2.95億年前）保存良好的珊瑚化石，發(fā)現(xiàn)石炭紀(jì)珊瑚每年的生長線為385～390圈，泥盆紀(jì)珊瑚每年則有385～410圈生長線。這與用天文學(xué)方法求得的各地質(zhì)時期每年的天數(shù)大體相等。

據(jù)計算，寒武紀(jì)時期一晝夜為20.8小時，泥盆紀(jì)時期為21.6小時，石炭紀(jì)時期為21.8小時，三疊紀(jì)（距今2.5億～2億年前）時期為22.4小時，白堊紀(jì)（距今1.45億～0.66億年前）時期為23.5小時，現(xiàn)在的一晝夜則是24小時。如果我們知道了不同地質(zhì)歷史時期每年天數(shù)的變化，就可利用觀察古生物化石的生長線來確定其地質(zhì)時代。這篇文章同時也證明了地球自轉(zhuǎn)逐漸變慢、日長增加的事實(shí)，受到天文學(xué)、地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科學(xué)者的一致好評。

隨后，英國自然歷史博物館的斯克魯頓在1965年又討論了珊瑚化石上生長脊的意義。一個朔望月即一個月的周期，代表一次潮汐變化，反映于海水環(huán)境，作用于珊瑚的生長結(jié)構(gòu)。每個朔望月，珊瑚都會生長出一條溝間帶，每經(jīng)歷一個春秋便會生長出一條脊。斯克魯頓在一塊保存較好的中泥盆世珊瑚標(biāo)本中，發(fā)現(xiàn)2條隆起的脊之間正好有13條溝間帶，也就說明了一年有13個月，正好與天文學(xué)計算所得相吻合——中泥盆世每年有13.04個月，共399天。

保存完好且生長線清晰的珊瑚化石

地質(zhì)歷史時期與一年天數(shù)對照圖。威爾斯通過古生物估算結(jié)合同位素定年做出本圖所示結(jié)果，正好與天文學(xué)推算出的地質(zhì)歷史時期中每年的天數(shù)演化完全相符

除了珊瑚，很多其他古生物化石也存在明顯的生長紋路。

例如雙殼類動物，其殼飾上有明顯的生長紋。來自美國華盛頓大學(xué)輻射生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的伯納姆(1965年)在研究太平洋比基尼島附近的大硨磲時，在殼體的橫截面影像圖上發(fā)現(xiàn)有2處生長層，是在20世紀(jì)50年代2次核爆炸的放射性條件下長出的。在隨后的研究中，又通過刻槽法標(biāo)記發(fā)現(xiàn)了雙殼類動物的生長節(jié)律。但可惜的是，其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(zhǔn)確判斷過去時長的變化。

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(jì)就已經(jīng)存在，到現(xiàn)代印度洋—西太平洋的珊瑚礁水域中仍有存活個體，所以能較好地與過去的樣品對比?，F(xiàn)代鸚鵡螺殼內(nèi)，每兩片膈膜之間的生長線數(shù)量基本一致，平均有30條，與太陰月(29.53日)基本吻合。而與奧陶紀(jì)以來的鸚鵡螺殼內(nèi)生長線數(shù)目進(jìn)行對比后，也發(fā)現(xiàn)每月的生長線數(shù)量呈不穩(wěn)定遞減趨勢，這同樣說明了地球自轉(zhuǎn)速度在減慢。另外，菊石、角石、箭石等滅絕的頭足類動物也發(fā)育有較好的生長紋。通過對古生物鐘和生長紋的研究，還能夠總結(jié)出奧陶紀(jì)以來地月參數(shù)的變化，得出月球正在遠(yuǎn)離地球的結(jié)論。

但是，最新的研究認(rèn)為，鸚鵡螺的紋層并不能反映環(huán)境周期性的變化。通過現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室條件下對鸚鵡螺的培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，鸚鵡螺的每個氣室并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，而最后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，也僅是裝飾作用，與其自身的周期性變化無關(guān)。所以，在判斷每年的天數(shù)上，頭足類生物的生長紋路并沒有帶來太大用處。

鸚鵡螺殼切面

菊石化石切面

鸚鵡螺

疊層石延續(xù)傳奇

雖然許多生物的生長紋路在研究天數(shù)上并沒有多少積極作用，但人們對古生物鐘的研究并未停滯，中國古生物學(xué)家隨后在這一領(lǐng)域起到了關(guān)鍵作用。

在元古宙（距今25億～6億年或5.7億年前）廣泛分布的疊層石是極有力的研究工具，在中國北方前寒武紀(jì)時期留下的碳酸鹽巖地層中，經(jīng)?？梢钥吹骄哂袑訝顦?gòu)造的巖石，那便是原始藻類不斷膠結(jié)、沉降形成的有紋層的一類化石。一層層規(guī)律生長的疊層石宛如書畫一樣記錄著數(shù)十億年前的前寒武紀(jì)時期的環(huán)境變化。直至今日，在澳大利亞鯊魚灣等地還有持續(xù)生長的疊層石，這些藻類生物早在38億年前就已出現(xiàn)。1972年，美國耶魯大學(xué)地質(zhì)和地球物理學(xué)系的潘內(nèi)拉最早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)分哪些是每天或每月的變化層，但潘內(nèi)拉通過對比現(xiàn)生藻類的生長規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了疊層石的生長是有日節(jié)律的。這樣一來，根據(jù)疊層石的日生長紋就能夠判斷遠(yuǎn)古時期的日平均長度了。潘內(nèi)拉通過細(xì)致觀察，將疊層石的生長紋分為了5級。

澳大利亞鯊魚灣疊層石

隨后，中科院南京地質(zhì)古生物研究所研究員曹瑞驥于1991年在天津薊縣霧迷山組發(fā)現(xiàn)了一種藻席與疊層石交替生長的生物礁，這里的疊層石指示日、月、季的3級周期。研究人員首次推算出，12億年前地球每月的天數(shù)為40～49天。據(jù)此，通過對山西五臺地區(qū)的沉積巖研究推論，五臺山滹沱群沉積時期平均每年有460多天；對北京周口店地區(qū)鐵嶺組疊層石的研究和對天津薊縣霧迷山組疊層石紋層的碳、氧同位素值測定得知，10億年前的地球每年至少有516±20天、12.9±0.5個月，每個月有

40多天，每天只有16.99±0.66個小時。由于疊層石年代古老，使得對每年日長的判斷延伸到了前寒武紀(jì)時期，極大地推進(jìn)了古生物鐘研究的發(fā)展。

疊層石生長紋分級

疊層石良好的生長紋

還有很多類似的古生物鐘值得去探討，不過受限于樣品數(shù)量，以及樣品年齡，已不適于研究地質(zhì)歷史時期每年天數(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、鯊魚的脊椎骨切面、龜鱉的甲殼生長紋、帶角生物的角的切面、腕足生物的殼飾等等，都可以看到一層層生長的痕跡。這些生物鐘在記錄生命歷程的同時，也見證了地球環(huán)境的變化?；蛟S單個生命反映的這些變化是微小的，或許沒有規(guī)律可言，但是累積的記錄，從量變到質(zhì)變，我們可以清楚地看到從前寒武紀(jì)有生命以來，地球想告訴我們的一切。

一些猜想

對于古生物鐘是否能記錄地質(zhì)環(huán)境的變化，尚有一些爭論。

有人堅持“內(nèi)生論”，指某些生物體因遺傳而天生具有像時鐘一樣的循環(huán)性周期，不受外界的影響；而“外生論”則認(rèn)為，生物之所以能夠像上好了弦的鐘表，主要是因?yàn)槭艿酵鈦砉?jié)律的刺激，環(huán)境中的溫度、水分、地球自轉(zhuǎn)等都是刺激的來源。盡管大量的事實(shí)和統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)都支持“外生論”這一方，但古生物鐘的科學(xué)成因目前仍是一個未解的謎題。

基于對地球自轉(zhuǎn)速度變化的推導(dǎo)，我們不難得出地球自轉(zhuǎn)越來越慢的事實(shí)，但如果將時間再往前推，試著討論12億年前地球的特征，會發(fā)現(xiàn)一件可怕的事情——

由于每年天數(shù)的變化與地質(zhì)時間有著良好的線性關(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?？斓?，甚至一天可能只有4個小時，一年將會有2190天！

不同生物的生長紋告訴我們，在記錄個體生命歷程的同時，它們也見證了地球環(huán)境的變化

另一件可怕的事情是，如果我們把推算的時間向未來延伸，會發(fā)現(xiàn)，地球終有一天會進(jìn)入暮年，不再能自由地自轉(zhuǎn)，而是變成一個僅隨太陽公轉(zhuǎn)且被太陽潮汐鎖定的星球。停止了自轉(zhuǎn)的地球，將有一面永遠(yuǎn)是被寒冷冰封的極地，另一面則籠罩著無盡的炎熱和干旱。那時候，一天可能有100多個小時，生物的作息也會發(fā)生劇變，每個人的工作時間將被無情地延長好幾倍(當(dāng)然那時如果還有人類的話，可能已經(jīng)在太空中找到了新的棲息地)。當(dāng)然，這一切都是假設(shè)，基于很多先決條件。比如，我們常常會認(rèn)為地球公轉(zhuǎn)的時長是確定的，太陽的性質(zhì)是始終不變的等等，這就會引起一些估算上的誤差。實(shí)際上，46億年是個極其漫長的過程，這其中眾多的變數(shù)是目前很難猜想的。

后鈣鈦礦

鈣鈦礦是一類陶瓷氧化物，因最早被發(fā)現(xiàn)于鈣鈦礦石中而得名。鈣鈦礦可用于提煉鈦、鈮和稀土元素，且由于其結(jié)構(gòu)特殊，因此在高溫催化及光催化方面有應(yīng)用前景，可用來制作太陽能電池的替代材料。鈣鈦礦最隨深度加深，分為鈣鈦礦和后鈣鈦礦——鈣鈦礦會在距地表2600千米深、大約120吉帕的高壓下發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變成后鈣鈦礦。

究其原因，地球的自轉(zhuǎn)為什么會越來越慢呢？這件事始終沒有定論，很多人認(rèn)為，可能是由于太陽潮汐長時間對地球的摩擦力，使得地球不斷減速；也有人認(rèn)為是由于地球自身能量的消耗，讓地球正在老去；還有人認(rèn)為，由于地幔最深處后鈣鈦礦的導(dǎo)電性差異，導(dǎo)致地球的自轉(zhuǎn)速度存在周期性變化，即每10年會增加或者減少0.003～0.004秒。