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疊層石用「生老病死」的一生來記載地球的故事!

2024-10-02科學

世界上大多數的石頭都是死物,但我們今天要說的一類石頭不僅是活生生的,它「生老病死」的一生還記載著地球的故事,它就是疊層石。讓我們一起走近它,解讀其中的故事。

疊層一出萬物生

我們知道,地球誕生初期是個炎熱的大火球,整個地球溫度都非常高,別說人類,全世界都沒有幾種生物能在這樣的環境中生存,直到疊層石的出現改變了這一切。

藍細菌是一種微小的低等生物,它們誕生的時間非常早,大約37.7億年前就出現在地球上了,而這件事正是疊層石告訴我們的。藍細菌生活在陽光可以穿透的大海表層,利用陽光進行光合作用,將海洋中的無機物轉化成有機物,同時吸收空氣中的二氧化碳並向外釋放氧氣。藍細菌越長越多,吸引來更多的捕食者,這些生物連同藍細菌生產的有機物一起,「搭建」成了層狀、球狀、瘤狀或柱狀等各種形態的疊層石。

目前發現的最古老的疊層石位於澳洲的皮爾巴拉地區,元素測年法顯示,這些石頭已有37.7億歲。由此我們知道,藍細菌從37.7億年前開始,就一直吸收大氣中的二氧化碳並釋放氧氣。隨著二氧化碳的減少,地球的溫度緩慢下降,越來越多的生物出現在地球上。氧氣的增加則使得包括人類在內的需氧生物得以生存,現今地球上的大多數生命都離不開疊層石釋放的氧氣。正是疊層石的出現使地球慢慢變成了一個生機勃勃的星球。

疊層石的壯年期

距今20億~7億年的一段時間是疊層石的「壯年」期,這段時間疊層石幾乎遍布世界各地,它們的「遊記」記載著當時地球發生的故事。

出生地不同的疊層石長相並不相似,科學家甚至給這些不同樣子的疊層石起了不同的名字,比如元古宙(25億年~5.4億年)時期出生在北美地區的疊層石為樹杈狀,被稱為分叉疊層石;出生在中國神農架地區的疊層石呈塊莖狀,被稱為通古斯疊層石等。科學家可以透過疊層石確定地質年代,也可以用來推測古生態環境。

疊層石的外貌與當時當地的環境密切相關。在陽光熱烈、無機物豐富的地方,藍細菌數量較多,這裏出生的疊層石的「膚色」更黑一些,因為所含的有機物含量更高。而藍細菌含量少的時候,疊層石的「膚色」偏白,它主要由泥沙組成。海水中的碳酸鹽較多時,疊層石的生長速度快,常出現錐形的「大個子」,反之疊層石多為矮墩墩的圓柱狀。海水湍急的地方,疊層石的底部「傷痕」較多,形狀更古怪,生活在風平浪靜的海域的疊層石則長得更加規則。

疊層石的形狀除了反映當時海洋的環境外,還能體現地球的狀態。疊層石的紋層就像樹木的年輪一樣,明暗相間、疏密不同,這與光照變化有關。中國科學家分析了一批北京周口店附近的年齡約為10億歲的疊層石,透過對300多個疊層石樣品的統計分析,發現它們的紋層至少為470層,由此推斷出10億年前一年有470天。同時,根據這些紋層周期性的厚度變化,科學家推測當時一個月至少有40天。而這些時間的變化則反映了地球的傾斜程度,當時地球的傾斜程度小於現在,黃赤交角(地球公轉軌域面與赤道面的交角)比現在更大,為29.2°~30.6°。

功成身退疊層隱

疊層石的衰敗同樣體現著地球環境的變化。隨著生物種類和數量的增加,地球的環境也在不斷發生變化,疊層石的生存受到了挑戰,現代的疊層石再也不復當年的盛況,而是默默「隱居」在一些偏遠的地方,比如澳洲的鯊魚灣或巴哈馬群島的淺海中。

分析了世界各地的疊層石分布情況,科學家發現疊層石比較適合生長在較純凈的碳酸鹽巖附近,水流中連泥沙都很少。要營造這樣的生存環境必須符合幾種條件:無風(微風)、沒有海浪或者是微浪、附近沒有較大的海流和河流。在元古宙時期,全球七大洲都分布有大量的疊層石,這說明上述的地理環境在當時的地球是普遍存在的。

但到了距今7億年的震旦紀,疊層石的數量大量縮減,疊層石不再隨處可見,說明當時的氣候和地理環境已不適合疊層石生存。這是因為當時地球上第一次出現了大範圍的冰川,地表的降雨量大增,巖石被風雨沖刷成了細小的砂石和黏土並被沖擊入海。與此同時,風力增大使得海浪增大,河流和海流變得更加湍急。種種條件都不再適合疊層石的生存,因此疊層石的數量驟減。

此外,競爭者的出現也是疊層石衰敗的原因。美國科學家在原先疊層石繁盛的地方發現了另一種形態的石頭,許多細小的顆粒聚成蠕蟲狀、球粒狀及砂礫狀的團塊,他們將之稱為凝塊石。科學家透過顯微鏡觀察和基因測序技術尋找構築這種石頭的「工人」,他們驚奇地發現,其中不僅有藍細菌,還有一種古老的浮遊動物——有孔蟲。

會不會是有孔蟲改變了藍細菌的建築藍圖,建造出了凝塊石這種新石頭呢?為了驗證這種猜想,科學家將在現代找到的仍在生長的疊層石和凝塊石放置在一處,「培養」了6個月,觀察兩者的形態變化。事實證明,凝塊石確實處於統治地位:疊層石的內部結構變得雜亂,更類似於凝塊石,而且其中生活的藍細菌也有被有孔蟲取代的趨勢。可以想象,數億年前也發生過類似的一幕,疊層石就是這樣逐漸被凝塊石擊敗的。

疊層石的一生都在默默奉獻。數十億年前,地球炎熱且貧瘠,太陽光線昏暗。那時候,地球的生命形式很單一,藍細菌是唯一制造氧氣和有機物的生命,它們相互依靠,纏結在一起形成了疊層石。疊層石的出現冷卻了地球,讓地球變得更具生命力。到了後來,生命多樣性爆發,藍細菌的作用被植物取代,它們又功成身退,默默退到了荒無人煙的地方,過著「隱士」般的生活。