探索地球早期的生命之谜

2019-05-28 作者:科学研究   |   浏览(140)

追寻早期的地球生命

各基础学科之间的相互渗透是现代科学发展的趋势之一。自从20世纪中期“古生物钟”研究兴起以后,天文学与古生物学这两大古老基础学科之间的横向联系已初见端倪。其实在古生物体内记录的天文学信息并未局限于“古生物钟”,其中一些可能至今仍不为我们所识别。如何运用天文学知识探索古生物学中的许多有关问题,已成为摆在我们面前的一个新课题。

何谓“古生物钟”

在浩瀚的宇宙中间,地球仅是数以亿计的天体之一。从形成以后,地球就按一定的规律演化和不停地运动。在太阳系中,地球的运动包括绕太阳的公转运动和绕其本身自转轴的自转运动。现今,地球绕太阳公转一周的时间约为365.3个太阳日,自转一周的时间约为23小时56分钟。月球是最靠近地球的一个星体,它既围绕地球运转,又参与绕太阳的公转。月球围绕地球运转的周期,因选用基点的不同,现今分别为29.53、27.32、27.21、27.55個太阳日。

当前的研究已经证明,地球的自转速度和地月之间的距离在长达几十亿年的地质历史中是不断变化的。地球自转速度的变化与一系列重大地质事件的发生可能有种种的联系。很早以前,李四光就认为地球上纬向褶皱带的成因或许与地球旋转速度的变化有关。天文学研究证实,地球自转具有从快变慢的趋势。但现今的天文学知识无法提供不同地质时期地球转速的递减率。因此,人们将希望寄托在记录天文信息的古生物结构的研究上。

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由于地球的自转,地球上出现了昼夜的交替,并由此导致了阳光、温度和沉积物化学组分等方面的周期性细微变化。这些细微变化常直接影响某些地球生物的生理功能和细胞的生长速度,从而引起生物生长结构上的相应变化。这些生长结构上的变化通常以层纹形式记录在生物体内或壳体中。人们将这些层纹称为“日层纹”。

当地球绕太阳公转时,由于地球接受太阳辐射的不同(取决于地球相对干太阳的几何位置),地球上出现年、季节和潮汐的周期性变化。这些变化又引起日层纹在排列、组分和颜色等方面的相应变化,并形成反映“年”和“季节”的生长节律。这些生长节律如同钟表一样周而复始地出现在古生物结构中。根据对化石中保留的层纹生长节律的性质和等级的分析和研究,人们很容易地统计出每个年或季节的节律中的日层纹数,并据此揭示不同地质时期地球自转速度的变化。20世纪60年代,Runcorn把古生物反映出时间尺度变化的功能称为“古生物钟”。

由于生物的习性,生长速率和骨骼性质各异,并非所有生物的生长结构都记录有明显的天文学信息。能够开展古生物钟研究的化石现知有珊瑚、瓣腮类、头足类、腕足类、层孔虫、苔藓虫、钙质蠕虫管、海胆板、节肢动物和叠层石。除叠层石外,其他均为动物化石。利用动物化石开展“古生物钟”的研究,人们仅能获取显生宙以来(即从5.4亿年前至今)的资料。地球形成历史接近46亿年,从古生物学上探索地球早期的天文学和地球物理等方面的信息只能依赖叠层石。

当前“古生物钟”研究中最大的障碍在于很难寻觅到记录完整的天文学信息的古生物材料。一些相对完整的天文记录又常受后期岁月的破坏而湮没。这些先天性的不足常是当前研究中的无奈和尴尬。“古生物钟”研究至今仍停留在尝试和试验阶段。

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叠层石“古生物钟”研究的科学依据

由于生理作用,某些动物可以将地球自转和公转运动引起的周期性的环境变化以层纹形式记录在硬质壳体之上。但叠层石是蓝细菌类构成的一种生物沉积构造,在本质上区别于具有硬质壳体的动物。将叠层石作为“古生物钟”研究的科学依据何在?需要首先阐明。

人们通过对现代“活”叠层石的实验并与化石叠层石比较研究后发现,由于日照的刺激作用和蓝细菌类微生物的趋光作用,叠层石可以与硬质壳体动物一样,将昼、夜为单位的时间段以层纹形式记录在结构中。其日层纹形成机理可以分为以下两类。

第一,当白天来临,阳光普照,一些组成叠层石的丝状蓝细菌对日照特别敏感,纷纷向光源方向直立敞开生长。而当太阳落山,黑夜笼罩大地时,这些丝状蓝细菌将由直立转向密集匍匐分布。如此日复一日,一系列日层纹逐渐形成。这类日层纹是由于昼、夜光线变化导致丝状蓝细菌排列方式发生相应变化形成的,在现代“活”叠层石和燧石质化石叠层石的薄片中经常见到。它们的厚度通常介于80至150微米之间。在碳酸盐岩化石叠层石薄片中,蓝细菌类微生物极少保存,但在其中常观察到一些较厚的浅色微层与较薄的深色微层交替分布。每个“微层对”的厚度与上述日层纹接近。有学者认为,这些“微层对”的成因似乎可以用上述日层纹成因机理加以解释,它们可能代表昼、夜沉积记录。

第二,一些蓝细菌类微生物在白天日照刺激下可以堆积一层薄薄的微生物膜,当缺少阳光的夜晚来临,微生物膜暂停堆积。第二个白天,另一层微生物膜又被形成,因而在两层有机质丰富的暗色微生物膜之间,常出现一层极薄的无机质亮间隙层,将两层微生物膜隔开。如此周而复始,另一类日层纹系列逐渐形成。在燧石质叠层石化石薄片中,常观察到这类日层纹,一些微生物膜中还可以见到类似Rlvularia蓝细菌的结构。这类日层纹厚度通常介于30至60微米。

在太阳系内,地球和月球在万有引力的作用下,组成了一个关系密切的二体力学体系。地球因受月球引力的作用形成潮汐,液体潮汐的高差可达67厘米。对潮间带和浅水潮下带的叠层石而言,每天的潮汐作用可导致叠层石沉积组分的周期性变化,同样可以在叠层石中形成日层纹。这种日层纹的产生似乎受控于化学沉淀或机械沉积作用。在以月为时间单元的跨度内,由于受每月的大潮影响,叠层石日层纹系列在排列密度和色泽深浅方面常出现一定的变化,有时可以形成反映月周期的生长节律。

在地球上,季节的交替是地球接受太阳辐射变化引起的,受辐射能量的大小取决于地球某地与太阳之间的相对几何位置。同时太阳辐射能量又与地轴的倾斜角度有密切关联,黄赤交角值在季节形成和变化方面起相当重要的作用。因而可以通俗地理解为,地球上季节的交替是受太阳倾向直接影响的结果。建造叠层石的蓝细菌类微生物,由于自身的趋光性能,在缺少垂直光线辐射的情况下,总是迎向太阳辐射能量大的方向生长。因而一些柱叠层石的生长方向将随季节的变更而转向。

叠层石“古生物钟”研究的实例

科学家运用将今论古的方法,通过对现代“活”叠层石的研究,建立了上述叠层石“古生物钟”研究的理论依据。仔细推敲和思索后不难发现,上述理论依据尚欠足够的严谨性。尽管如此,近30年来不少科学家仍开展了有关方面的探索,并获得了一些前寒武纪地球自转速度的数据,但这些数据的可信度值得讨论。

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比如,Anabariajuvensis是一种产自澳大利亚中部新元古代苦泉组的多分叉柱叠层石。从表面观察,该叠层石具以下两项特征:①叠层石柱体屡次呈自然平缓的弯曲,弯曲的形成似乎与水动力等机械因素无关;②柱体多半燧石化,其中微层纹保存完整而清晰。

20世纪80年代中期,美国天文学家Vanyo和前寒武纪古生物学家Awramik通过连续切片方法对叠层石进行了剖析,他们惊奇地发现,这些叠层石柱体的轴线经常弯曲成类似数学上的正弦曲线;同时,弯曲的弧线与垂直地层层面直线之间的夹角均在20°左右,与现代的黄赤交角颇为接近。因而推测这类叠层石形成在古赤道附近,而柱体的正弦曲线状的自然弯曲是由于季节更替导致蓝细菌类微生物追逐太阳辐射能量大的方向转向生长所致。因此上述正弦曲线中的一段“S”形柱体应代表1年的沉积。根据对“S”段柱体内微层纹的统计,他们计算出在8.5亿年前地球上每年约为410天。

以上推理和推算方法似乎并无明显欠妥之处,但最大的疑问是,在漫长的“年”时间段内,日层纹似乎不可能无间断地连续堆积,因而上述每年的天数可能较实际偏低。

再比如,Pseudogymno-soiencondylose是一种发现于天津蓟县中元古代雾迷山组底部(距今14亿至13亿年)的微小分叉叠层石。叠层石个体小,柱体直径小于0.5厘米,已燧石化,呈黑色。极为有趣的是,这类小叠层石与平坦的由Lyngbya类蓝细菌组成的微生物席交替分布,构成叠层石—微生物席—叠层石的周期性韵律。Lyngbya类蓝细菌通常生活在半干半湿的暴露环境,反之,连续堆积的叠层石形成在被水淹没的环境。上述叠层石与微生物席交替分布实际反映了湿和干两种环境的周期性变化。薄片研究发现,上述微小叠层石中显示两类微构造:

①由较薄的亮带与较厚的暗带相互交替形成的微层纹,其厚度不足50微米;

②由一系列微层纹构成的微层纹组,每个组的厚度为0.5至1.5毫米。微层纹组的划分主要依据色泽的差异。每个小叠层石的柱体通常包含2至9个微层纹组。综合以上所述,在当前标本中可以明显辨认出3个不同等级的生长周期:

①由亮带和暗带交替形成的微层纹;

②层层相叠的微层纹组;

③微生物席与小叠层石的交替分布。

当前研究中的核心问题是对上述3个生长周期的成因做出合理的科学解释。据对中美洲巴哈马安德罗斯岛西部沼泽区“活”叠层石的观察和研究发现,当每年的干旱季节来临时,叠层石暂停生长并遭剥蚀,紧接着微生物席覆盖其上。當干旱季节结束雨季来临,叠层石又在微生物席上生长和发育,如此周而复始。这种一年一度干、湿交替环境下的生长模式明显可以与上述3级周期的生长方式进行比较。因而,上述3级周期的生长时间跨度可以用以下公式示意:叠层石堆积剥蚀 微生物席堆积=1年沉积记录。上述1级微层纹厚度与现代“活”叠层石的日层纹接近,它们可能代表在每天日照刺激下形成的微生物膜和黑夜形成的间隙层。显而易见,上述2级微层纹组应为月周期的沉积。

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将纵向切制的叠层石柱体薄片置于显微镜下,顺柱体轴延伸方向连续照相,并对微层纹组中包含的微层纹数在放大照片上进行统计。结果发现,每个微纹层组中多半包含40至49个微纹层(即平均为44.5个微纹层)。以上数据反映,在中元古代初期每个月约有44.5天。假定当时每年仍为12个月,则在13亿至14亿年前,每年应为534天。

以上每个月包含天数的数据是在对数百个微层纹组统计的基础上获得的,较为可信。

从叠层石中的潮汐记录探索地月距离的变化

澳大利亚西部鲨鱼湾一带为半封闭的高盐度海湾,一般海洋生物几乎绝迹。在这种极端环境下,蓝细菌类微生物十分活跃,由它们建造的柱叠层石鳞次栉比,散布在动荡的潮间带。由于“活”叠层石在现代海洋中极为罕见,从20世纪60年代开始,许多地质学家从不同角度对它们开展了深入研究。

一次偶然的观察,人们惊奇地发现这些叠层石在沿海岸线分布上似乎具有某些规律性,在潮汐振幅大的地区生长的叠层石概要纵断面偏高,反之,在潮汐振幅小的地区偏低。潮间带叠层石概要纵断面的高度与潮汐的振幅有着紧密关联。地球上液体潮汐的形成主要是地球受月球引力作用所致,而潮汐作用的大小又与地月之间的距离密切相关。以上发现提示人们,如果对不同地质时期的潮间带柱叠层石的概要纵断面进行系统的调查和深入研究,将为人们提供地球早期地月距离的变化和潮汐引力对地球发展历史的影响等方面的资料。

何为概要纵断面?为了从动态上理解建造叠层石的基本单元——层纹,并将它们恢复到形成时的“活”状态,加拿大学者Hofmann创建了“概要纵断面”这一术语。该面代表建造叠层石的微生物席的起伏面。微生物席通常形成在沉积面之上的1至10毫米的水层中,因为这里是最适合微生物繁殖和新陈代谢活动的地区。而微生物席一旦暴露于水面,必将停止生长,并遭受剥蚀。建造叠层石的微生物席通常呈穹形,这是由于蓝细菌的趋光性及微生物活动导致沉积物向上运动所致。叠层石的每个概要纵断面反映某一时刻微生物席的活动状态,即昔日沉积物—水界面状态和微生物席的相对水深。

百余年来,特别是登月计划实施以来,月球轨道变化,包括地月距离变化的研究已受到高度关注。天文学研究表明,月球轨道半径每年要增加4.5厘米,也就是说,在遥远的地质时期,月球的位置要离地球更近一些。为了证实这一观点,国际著名的地质学家Cloud对世界不少地区的潮间带叠层石进行了深入调查和研究,发现距今10亿年前的潮间带叠层石概要纵断面高度远比现今的大得多,其中一些可达6米。这表明当时的潮汐振幅应在6米以上。因而他推测前寒武纪中期前后,潮汐幅度超过其他任何时期,当时地月距离最为接近。然而,他的这一看法并没有被广泛接受。有学者认为,距今30亿年前的潮汐高差更大,可达12至25米。

看来,这项研究仍需继续下去。

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