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叠层石用「生老病死」的一生来记载地球的故事!

2024-10-02科学

世界上大多数的石头都是死物,但我们今天要说的一类石头不仅是活生生的,它「生老病死」的一生还记载着地球的故事,它就是叠层石。让我们一起走近它,解读其中的故事。

叠层一出万物生

我们知道,地球诞生初期是个炎热的大火球,整个地球温度都非常高,别说人类,全世界都没有几种生物能在这样的环境中生存,直到叠层石的出现改变了这一切。

蓝细菌是一种微小的低等生物,它们诞生的时间非常早,大约37.7亿年前就出现在地球上了,而这件事正是叠层石告诉我们的。蓝细菌生活在阳光可以穿透的大海表层,利用阳光进行光合作用,将海洋中的无机物转化成有机物,同时吸收空气中的二氧化碳并向外释放氧气。蓝细菌越长越多,吸引来更多的捕食者,这些生物连同蓝细菌生产的有机物一起,「搭建」成了层状、球状、瘤状或柱状等各种形态的叠层石。

目前发现的最古老的叠层石位于澳大利亚的皮尔巴拉地区,元素测年法显示,这些石头已有37.7亿岁。由此我们知道,蓝细菌从37.7亿年前开始,就一直吸收大气中的二氧化碳并释放氧气。随着二氧化碳的减少,地球的温度缓慢下降,越来越多的生物出现在地球上。氧气的增加则使得包括人类在内的需氧生物得以生存,现今地球上的大多数生命都离不开叠层石释放的氧气。正是叠层石的出现使地球慢慢变成了一个生机勃勃的星球。

叠层石的壮年期

距今20亿~7亿年的一段时间是叠层石的「壮年」期,这段时间叠层石几乎遍布世界各地,它们的「游记」记载着当时地球发生的故事。

出生地不同的叠层石长相并不相似,科学家甚至给这些不同样子的叠层石起了不同的名字,比如元古宙(25亿年~5.4亿年)时期出生在北美地区的叠层石为树杈状,被称为分叉叠层石;出生在中国神农架地区的叠层石呈块茎状,被称为通古斯叠层石等。科学家可以通过叠层石确定地质年代,也可以用来推测古生态环境。

叠层石的外貌与当时当地的环境密切相关。在阳光热烈、无机物丰富的地方,蓝细菌数量较多,这里出生的叠层石的「肤色」更黑一些,因为所含的有机物含量更高。而蓝细菌含量少的时候,叠层石的「肤色」偏白,它主要由泥沙组成。海水中的碳酸盐较多时,叠层石的生长速度快,常出现锥形的「大个子」,反之叠层石多为矮墩墩的圆柱状。海水湍急的地方,叠层石的底部「伤痕」较多,形状更古怪,生活在风平浪静的海域的叠层石则长得更加规则。

叠层石的形状除了反映当时海洋的环境外,还能体现地球的状态。叠层石的纹层就像树木的年轮一样,明暗相间、疏密不同,这与光照变化有关。中国科学家分析了一批北京周口店附近的年龄约为10亿岁的叠层石,通过对300多个叠层石样品的统计分析,发现它们的纹层至少为470层,由此推断出10亿年前一年有470天。同时,根据这些纹层周期性的厚度变化,科学家推测当时一个月至少有40天。而这些时间的变化则反映了地球的倾斜程度,当时地球的倾斜程度小于现在,黄赤交角(地球公转轨道面与赤道面的交角)比现在更大,为29.2°~30.6°。

功成身退叠层隐

叠层石的衰败同样体现着地球环境的变化。随着生物种类和数量的增加,地球的环境也在不断发生变化,叠层石的生存受到了挑战,现代的叠层石再也不复当年的盛况,而是默默「隐居」在一些偏远的地方,比如澳大利亚的鲨鱼湾或巴哈马群岛的浅海中。

分析了世界各地的叠层石分布情况,科学家发现叠层石比较适合生长在较纯净的碳酸盐岩附近,水流中连泥沙都很少。要营造这样的生存环境必须符合几种条件:无风(微风)、没有海浪或者是微浪、附近没有较大的海流和河流。在元古宙时期,全球七大洲都分布有大量的叠层石,这说明上述的地理环境在当时的地球是普遍存在的。

但到了距今7亿年的震旦纪,叠层石的数量大量缩减,叠层石不再随处可见,说明当时的气候和地理环境已不适合叠层石生存。这是因为当时地球上第一次出现了大范围的冰川,地表的降雨量大增,岩石被风雨冲刷成了细小的砂石和黏土并被冲击入海。与此同时,风力增大使得海浪增大,河流和海流变得更加湍急。种种条件都不再适合叠层石的生存,因此叠层石的数量骤减。

此外,竞争者的出现也是叠层石衰败的原因。美国科学家在原先叠层石繁盛的地方发现了另一种形态的石头,许多细小的颗粒聚成蠕虫状、球粒状及砂砾状的团块,他们将之称为凝块石。科学家通过显微镜观察和基因测序技术寻找构筑这种石头的「工人」,他们惊奇地发现,其中不仅有蓝细菌,还有一种古老的浮游动物——有孔虫。

会不会是有孔虫改变了蓝细菌的建筑蓝图,建造出了凝块石这种新石头呢?为了验证这种猜想,科学家将在现代找到的仍在生长的叠层石和凝块石放置在一处,「培养」了6个月,观察两者的形态变化。事实证明,凝块石确实处于统治地位:叠层石的内部结构变得杂乱,更类似于凝块石,而且其中生活的蓝细菌也有被有孔虫取代的趋势。可以想象,数亿年前也发生过类似的一幕,叠层石就是这样逐渐被凝块石击败的。

叠层石的一生都在默默奉献。数十亿年前,地球炎热且贫瘠,太阳光线昏暗。那时候,地球的生命形式很单一,蓝细菌是唯一制造氧气和有机物的生命,它们相互依靠,纠缠在一起形成了叠层石。叠层石的出现冷却了地球,让地球变得更具生命力。到了后来,生命多样性爆发,蓝细菌的作用被植物取代,它们又功成身退,默默退到了荒无人烟的地方,过着「隐士」般的生活。