叠层石:地球上最古老的生物化石,居然还有活的

地球上,生命是如何进化为今天的模样的?从地球产生到今天,几十亿年的时间,地球上发生了哪些变迁?那些地球诞生之初出现的生命今天还能找到吗?这许多的问题,都是人类一直孜孜不倦在追寻的内容。想要找到这些问题的答案并不容易,科学家们数年如一日的研究,方才窥得一斑。今天我们就走进地球上最古老的生物化石——叠层石,透过这种古老的生物化石,窥一窥地球的秘密。4ded69f08636

▲在澳大利亚克利夫顿湖,有活着的现代叠层石。摄影/王金成


地球上第一批制造氧气的微生物制造了叠层石

相信很多人都听过盘古开天的故事,盘古从沉睡中醒来,发现大地一片混沌,于是用斧头劈开了天地。混沌的大地,其实是地球产生之初的真实写照。地球大约诞生于46亿年前,这之后很久,地球上都没有生命迹象,这里到处充满了氮气、二氧化碳等气体,那时候地球上还没有氧气。

到距今38亿—39亿年前,在大海里,地球上最古老的生命——古细菌出现了。这些海洋里面的生物几乎是在无氧状态下成长,它们生存并不需要氧气,氧气对它们来说甚至是毒气。直到距今大约35亿年前,一种有着特殊本领的生物——蓝细菌诞生了,它们可以进行光合作用,“吃”下二氧化碳,“吐”出氧气。

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▲三十几亿年前的地球,火山活动剧烈,大气中没有氧气,蓝细菌刚刚在大海中诞生,它们可以进行光合作用,吐出氧气,并在此过程中分泌黏液,把水中微小的沉积物颗粒胶结成石。供图/CHRISTIAN JEGOU PUBLIPHOTO DIFFUSION

蓝细菌在进行光合作用的过程中,还会分泌出一些黏液,把其他一些微生物粘连在一起,也会把海水中微小的矿物颗粒胶结起来,从而形成一种独特的微生物沉积岩——叠层石。叠层石与珊瑚有些类似,不过珊瑚是珊瑚虫建造的,而叠层石是以蓝细菌为代表的微生物群构筑的。


叠层石可以说是有生命的岩石。那些粘连在一起的微生物,如好氧异养菌、硫酸盐还原菌、硫氧化菌以及发酵菌等,慢慢堆叠成厚一些的微生物垫。随着微生物垫不断发展,生活在其中的菌类互相合作,一种菌的代谢产物为另一种菌提供养料,形成了地球上第一个生态系统。


在叠层石上,每平方米大约生活着36亿个微生物。它们一层一层缓慢地生长着,新的不断覆盖旧的,越长越大,数量也越来越多。在此后的20亿年中,以蓝细菌为主的微生物们不断释放着氧气,最终使地球大气中的氧含量增加到21%,为生命史的下一章也是更复杂的一章奠定了基础。

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▲在现代叠层石的彩色扫描电子显微照片中,可以看出叠层石不是由单一细菌形成,而是由多种微生物协同共生形成的。供图/EYE OF SCIENCE

叠层石纹理既是生长记录,也有天文信息

和树木的年轮一样,叠层石也有着自己的纹理。任意剖开一块叠层石,就可以看到剖面上层层叠叠的纹理。而且这些纹理,每一层都是“长”出来的,是叠层石的生长记录。

据科学家研究推测,叠层石上明暗相间的纹理和叠层石上蓝细菌生长的趋光性有关。白天阳光充足,蓝细菌对日照特别敏感,纷纷向光源方向直立生长,在生长过程中产生的黏液将周围的矿物颗粒胶结起来,这样就形成了叠层石中的亮纹层;夜晚光线弱,蓝细菌便由直立转为密集匍匐分布,并停止了堆积,这就形成了叠层石中的暗纹层。

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▲水中的这几块叠层石,看上去非常普通,既没有绚丽的色彩也没有奇异的造型,疙疙瘩瘩的表面、暗淡无光的色泽甚至让它们看上去颇为丑陋,但它们中却隐藏着地球生命起源的秘密。摄影/姜爽

这些明暗相间的纹理是蓝细菌生长的记录,也是昼夜和季节变化的信息,研究这些纹理,我们可以推测以前的时间变化。科学家根据对叠层石的研究发现,在13亿年前,地球一年约546—588天、约13—14个月,而且这些研究数据,与天文观测计算出的结果相差无几。


此外,专家通过对10亿年前的叠层石的研究还发现,当时的地球黄赤交角约为30°,比现在的23°27′明显要大,也就是说,当时地球的倾斜角度更大。结合其他结论,科学家认为由于月球逐渐远离地球以及潮汐作用对能量的消耗,地球的自转速度和月球绕地球的公转速度都在不断减慢,地球的黄赤交角因此不断减小,越来越“正”了。


除了以上的作用,叠层石还可以“制造”铁矿。今天在一些叠层石的表面能看到很多发红的地方,那些都是因为含有铁元素的关系。在蓝细菌繁盛的年代,海洋中存在过大量铁元素,蓝细菌通过光合作用产生氧气,铁元素被氧化后沉积在海底。后来,又经过漫长的地质作用便形成了铁矿。

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▲叠层石在风化侵蚀下大多呈现出扁平的形状,一些藻类附着在上面,为它们涂上了一抹抹斑斓的色彩。摄影/Yann Arthus Bertrand

此前,人们从未想过还有活着的叠层石

叠层石的形成年代十分久远。地质学家在澳大利亚、北美和南非三个不同大陆的11个地点均发现了叠层石的身影,其年龄在25亿年以上。此外,在美国、西班牙、澳大利亚等地寒武纪地层中也有发现。目前,世界上最古老的叠层石化石是2016年,于格陵兰岛西南部伊苏阿变质岩中发现的,约形成于37亿年前。

年代久远的叠层石是非常稀少的。据专家研究,在36亿—28亿年前(古太古代及中太古代),叠层石还是非常稀少的。到28亿—25亿年前(新太古代以后),叠层石的分布范围和种类渐渐丰富起来。到约12.5亿年前,叠层石的繁盛达到了顶峰,这一时期的叠层石,在全球七大洲各地几乎都曾被发现。之后,寒武纪迎来了生命大爆发,叠层石的数量开始急剧减少。

科学家们猜测,叠层石减少的原因可能是寒武纪生命大爆发后,后生动物(除原生动物之外所有动物的总称)捕食蓝细菌,蓝细菌的生存竞争增加,使其数量减少,叠层石随之减少;另一种可能是,海洋环境的变化,如碳酸盐浓度的降低也可能导致了叠层石建造的缓慢。7c2c8a4b118f

▲在巴哈马小达比岛的水中,叠层石正缓慢的生长着。供图/《中国国家地理》中文繁体版2020年07期

值得惊喜的是,1956年,科学家们在澳大利亚的沙克湾哈默林池发现了活着的现代叠层石!此后,人们又在巴哈马小达比岛、新西兰煎锅湖、巴西lagoa Vermelha泻湖、美国黄石公园等地相继发现新的现代叠层石。

在哈默林池的叠层石被发现之前,人们从未想过还有活着的叠层石,而且这些叠层石还在继续生长。在哈默林池,连绵成片的叠层石沿着海岸铺陈开来,高矮不一,从几厘米到几米不等。据研究发现,这里的叠层石,以每年0.4毫米的速度生长,有一部分年龄在1000—1250岁之间。


沙克湾的叠层石之所以能够延续至今,要归功于这片海域的特殊环境。沙克湾位于澳大利亚最西端,靠近热带,高温带来的高蒸发,再加上半封闭的海湾地形,使得这片海域的盐度大大升高,以至于让大多数的海洋微生物避之不及,于是这片海域成了以蓝细菌为主导的微生物群的天堂。它们闲适地在此繁衍、生长,继续吐出氧气,继续建造着叠层石。2e74f1beab46

▲澳大利亚哈默林池分布着大面积活的叠层石,科学家们将这里视为研究现代叠层石的胜地。摄影/杨轩昊

在我国,想近距离观察叠层石可以去这些地方

天津蓟县,叠层石的宝库

大约19亿到8亿年前这段时期,今天的天津地区还被海水所覆盖。此后的7亿多年里,海水在这里来来去去,屡次进退。到了约1亿年前,经历“燕山运动”后,蓟县地区(现为天津市蓟州区)的地壳不断隆起,形成了今天我们看到的低山丘陵。亿万年过去了,天津海陆变迁和地质演化的痕迹在蓟县完整地保留了下来。

蓟县地层中完整地呈现了中上元古界时期的地层面貌,而且这里的地层剖面中几乎各个时期都有叠层石被发现,数量达数十种,年代为距今14亿至12亿年前。这里的叠层石非常壮观,甚至整座山都是叠层石。在这些叠层石中,发现了至少有16个属、28个种的微生物群,其数量之多,打破了寒武纪之前缺少生命的猜测。0f35c95c513a

▲在天津,叠层石的美被民间艺人发掘出来,甚至还建造了以叠层石工艺为主题的奇石馆。摄影/张薄开


在蓟县,与其珍贵程度相反,这些纹理清晰、千姿百态的叠层石就那么随意地裸露在大地之上,有的为锥形、有的呈柱状、有的像一面石壁或一堵城墙,还有些形成了一个个球形的凸起。实在难以想象,这些石头是微生物们历经数亿年之功,才塑造出来的。

由于叠层石产出丰富,天津蓟县被称为叠层石宝库。在国内外博物馆、地质院校里看到的叠层石标本,多是来自天津蓟县。在天津自然博物馆的大门口,矗立着一块重达19.8吨的叠层石,距今约10.5亿年,其产地就是蓟县。在蓟县,还建立了天津蓟县国家地质公园,园内保存着大量的、极其珍贵的地质遗迹和地质景观,如果想进距离接触叠层石,可以去园内寻找一下。35ea2eab1bd2

▲图为天津蓟县的叠层石,距今约13亿—16亿年。摄影/吴军江

重庆酉阳,叠层石规模堪称中国南方之最

在重庆酉阳后坪乡和板溪镇,于2016年10月和2017年2月分别发现了大面积的叠层石。据专家研究发现,酉阳的叠层石形成时间是在距今约5亿年的寒武纪。这里的叠层石分布很广,从北至南绵延上百公里,范围达几百平方千米,到处都可以看到叠层石的身影,还有一些形成了非常美丽的图案,恰如石头当中盛开的花朵,被誉为“石花”。这些如石林般成片出现的叠层石,规模之大,堪称中国南方之最。当地政府根据叠层石的分布,还在酉阳板溪镇打造了“叠石花谷”景区,供人们近距离观赏这些5亿年前形成的“石花”。2d9a0ddb366a

▲在重庆酉阳,叠层石的规模,是以成片的石林形式出现的,堪称中国南方之最。供图/重庆市地质灾害防治工程

山西五台山,“地球早期地质历史博物馆”

五台山地处华北大陆的腹地,这里的地层很齐全,完整保存了上万米厚的古元古代 (25—19亿年前)滹沱群沉积地层,完美记录了这一阶段地球的演变历史,堪称“地球早期地质历史博物馆”。2008年,地质专家李江海在五台山考察时,发现了一块有23亿年历史的叠层石,这块叠层石直径约450厘米,高度500厘米,球体形态精美完整,表面纹理清晰,是国内已知规模最大的叠层石。在五台山的地层中叠层石相当丰富,而且在一些裸露的岩石上,也有大片镶嵌在崖壁表面,如果想近距离观察叠层石,可以去五台山的山间寻找,相信会有很多收获。

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▲图为山西地质博物馆中的叠层石标本,上面那些明暗相间的花纹,既是叠层石生长的记录,也蕴含着地球自转与公转的信息。供图/山西地质博物馆

北京西山,中国地质事业的摇篮

北京西山是对北京西部山区的统称,属太行山的余脉,包括了北京门头沟全境和房山、石景山、海淀、昌平等区的部分山地。这里有着丰富的地质现象,可以说是中国地质事业的摇篮,从19世纪中期开始,地质学家们就开始了对北京西山的地质考察。在北京西山各地的地层中,几乎都有叠层石的身影,如地处北京西山并与八达岭长城、十三陵毗邻,我国北方著名寒武纪地层剖面——南口剖面,其地层中有十分丰富的叠层石分布。在北京,如果想找到叠层石,可以去门头沟、永定河谷、昌平南口等地。b459b313da94

▲房山世界地质公园白石山园区中的波状叠层石。供图/中国房山世界地质公园管理处


参考资料

·姜爽.叠层石 既是最古老的化石 又是最活跃的生命[J].《中国国家地理》中文繁体版.2020(07)

·上官千寻.津北有奇——10亿年地层上的“万卷史书”[J].《中国国家地理》中文繁体版.2019(02)

·匡学文,张云霞,孙博阳编著. 博物馆里的中国 破译化石密码[M]. 2015

·曹瑞骥,袁训来.寻觅记录在叠层石中的天文学信息[J].飞碟探索.2018-11-15

·梅冥相,孟庆芬.现代叠层石的多样化构成:认识古代叠层石形成的关键和窗口[J].古地理学报.2016-04-01

·温志峰,钟建华,李勇,郭泽清,高剑波.叠层石成因和形成条件的研究综述[J].高校地质学报.2004-09-30

·余裕.叠层石:大地的史书.重庆科技报.2020年04月30日

https://www.cqrb.cn/html/kjb/2020-04/30/10/content_259646.htm

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