神奇的古生物鐘

馮偉民 葉法丞 譚超

神奇的古生物鐘

馮偉民 葉法丞 譚超

前言

生物的生長離不開環(huán)境因素的制約。在地球繞太陽旋轉(zhuǎn)的過程中，四季更替、晝夜變化、潮漲潮落無不對生物的骨骼生長產(chǎn)生周期性的影響，留下深刻的印記。不僅生物骨骼以生長環(huán)（帶、紋）表現(xiàn)了這種周期的年、月、日變化，而且骨骼的礦物成分，結(jié)晶程度和微量元素也記錄了環(huán)境的變化。在生物界，能反映年、月、日變化的生物非常多，其中海洋中最典型的明星動物有珊瑚、雙殼類（如河蚌、蚶蛤之類）、腹足類（如蝸牛、海螺之類）、腕足類（如海豆芽之類）、頭足類（如鸚鵡螺之類）、龜鱉、鯊魚等。它們的年輪大都通過鈣化的外殼、背甲、牙齒、鱗片等部位表現(xiàn)出來。而陸地上的樹木也能很好地反映地球周期性變化。不僅如此，生物年輪的變化在指示溫度、潮汐、光照等環(huán)境變化也有著重大意義。本文以幾種典型的古生物鐘化石類型為例，揭示它們在地球環(huán)境變化中的神奇作用。并以軟體動物為例，介紹世界工業(yè)化革命以來的環(huán)境變化。

何謂古生物鐘

一年四季，一日四時，無論是動物的作息攝食，還是植物的開花結(jié)果，它們總是那么循序有率，定時定點，就好像它們自帶計時鐘表一樣。我們稱這種存在于生物體生命活動內(nèi)在節(jié)律性的無形"時鐘"為生物鐘。又由于這種現(xiàn)象與生理相關，故而又稱為生理鐘。

形成于億萬年前古生物，同樣擁有類似的"計時"功能。在很多門類的化石的表壁上，有類似樹木"年輪"的痕跡，記錄著它們當時生長信息，科學家將此當作地質(zhì)時期的計時器。這些記錄著遠古信息的古生物化石都是地質(zhì)時代的見證物，即古生物鐘。

古生物鐘又被稱為化石鐘，是遠古時期古生物化石所保留的生物生長的節(jié)律，它給我們帶來了遠古地球豐富而可靠的信息，忠實記錄著包括地球自轉(zhuǎn)速率變化、古氣候變遷、大陸漂移等地質(zhì)歷史。

生物時鐘

通過古生物鐘了解過去

泥盆紀珊瑚生長紋

古生物鐘的研究歷史

1821年，古生物學家畢格斯比（Bisgsby）在加拿大大湖區(qū)采集的珊瑚化石上，發(fā)現(xiàn)其體壁上具有一些微細的層紋構(gòu)造。他推測這些紋層也許可以指示出珊瑚的年代。一百年后，我國著名古生物學家馬廷英，通過對現(xiàn)今珊瑚和珊瑚化石的系統(tǒng)比較研究，發(fā)現(xiàn)珊瑚的生長線可以反映環(huán)境（水溫）的季節(jié)性變化，而且越遠離赤道，珊瑚在結(jié)構(gòu)上反映季節(jié)性變化就越明顯。其密厚部分為寒冷季生長，疏薄部分為溫暖季生長，表現(xiàn)在外形，則為膨大部分和縮小部分交替。

1963年，美國學者韋爾斯（J.W.Wells）發(fā)表論文，他在古代和現(xiàn)今珊瑚上發(fā)現(xiàn)"日生長紋"，即反映晝夜變化的"日輪"，并統(tǒng)計每一"年層"內(nèi)日輪數(shù)量。發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代珊瑚"日輪"每年恰為365左右，而在距今三億多年前的泥盆紀，約為400，距今約三億年的石炭紀，約為390，即年代越老，每年天數(shù)越多。而每天時數(shù)減少。到1970年，威爾斯又補充了若干新的數(shù)據(jù)，如晚奧陶世為412圈、中志留世為400圈，中泥盆世平均為398圈，早石炭世為398圈，中、晚石炭世分別為380和390圈。于是他確立了"古生物鐘"的概念。20世紀六七十年代開始，古生物鐘成為研究熱點，研究對象從珊瑚擴展到雙殼類、頭足類、腕足類、層孔蟲、疊層石以及植物等不同門類。

古生代以來每天天數(shù)（韋爾斯，1963）

現(xiàn)代珊瑚

徐道一等（1983）在"天文地質(zhì)學概論"專著中專門論述了古生物記錄與地球自轉(zhuǎn)的演化，并指出只有疊層石才能提供前寒武紀時期的數(shù)據(jù)。其后，曹瑞驥（1991）在天津薊縣霧迷山組發(fā)現(xiàn)一種藻席Pseudogymnosolen疊層石交替生長的生物礁，發(fā)現(xiàn)了疊層石中可以指示日、月、季節(jié)的三級周期。并首次推算出，12億年前地球每月的天數(shù)是40-49天。

疊層石上典型的生長紋路

古生物鐘的研究方法

很多海洋生物在生理上與其生活的外部環(huán)境變化（如光照、水溫等）有聯(lián)系。因為月球與地球潮汐作用的影響，地球在過去不同的地質(zhì)歷史時期的自轉(zhuǎn)速度和現(xiàn)在不一樣，地球轉(zhuǎn)的越來越慢了。具體表現(xiàn)就是每年和每月的天數(shù)在逐漸減少，而每天的時間卻在增加。這些變化決定了海洋外部環(huán)境，如光照的變化，并反映在古生物的硬質(zhì)殼體和骨骼的細微構(gòu)造上，比如一些貝殼化石或珊瑚化石的生長紋層。而陸地上的古植物樹木化石，其生長輪（年輪）也會受到當時環(huán)境的影響，同樣可以起到反映地球環(huán)境變化的作用?？茖W家通過測量、統(tǒng)計、研究這些古生物化石上的生長紋層、生長輪，來進一步了解當時的古天文、古環(huán)境、古氣候信息等。除了研究化石表面生長紋，技術上還可采用拋光法，薄片法，染色法，X射線法和CT掃描法等制作研究古生物鐘的標本。

古生物鐘的研究還常與天文學、地球化學、生物學、生理學等學科的研究方法相結(jié)合。

地球自轉(zhuǎn)的變化影響古生物鐘

古生物鐘是怎樣形成的呢？

為什么說化石是地質(zhì)時代的見證者。那么化石上的"計時器"——即古生物鐘是怎樣形成的呢？科學家們提出了各種各樣的學說。

湖汐說：潮汐對于海洋生物的生理過程和生活習性有巨大的影響。因為海水中的化學成份（如含鹽量）以及壓力、光線等海洋物理的條件。都與潮汐的變化有直接關系。生活在潮間帶和潮下淺海中的現(xiàn)代的和化石的貝類，隨著一天兩次的漲潮而在貝殼表面上留下了生長層。

食物供給變化說：每一種動物，每隔一段時間，就都會由于饑餓而去尋找食物。動物的進食有周期性。有人作過現(xiàn)代珊瑚的實驗，證明現(xiàn)代珊瑚也是定時饑餓，定時進食的，推測古代珊瑚亦應如此。

生育周期說：不論古代或現(xiàn)代珊瑚．都是每一個朔望月繁殖一次，在繁殖期間，珊瑚的全部活動在于生育幼體，于是正常的新陳代謝作用受到了阻礙，這時候骨骼上的碳酸鈣的沉積量急劇地減少，直徑收縮，在外觀上，出現(xiàn)了環(huán)溝狀的構(gòu)造。生物期過后，又恢復了正常。

內(nèi)生論與外生論：內(nèi)生論者認為，某些生物體從遺傳上就帶有一種像鐘一樣的而且能夠周而復始的循環(huán)周期，不受外界的影響（如生物周期說）。外生淪則堅持生物所以能夠像上好了弦的鐘表，主要原因是外來的有節(jié)律的刺激信號（如潮汐說，食物供給說）。他們認為：地球的自轉(zhuǎn)，晝夜的交替以及日光、溫度、空氣、宇宙線、電磁場、引力和太陽黑子等，都是生物鐘的演奏者。

紡錘螺雙周生長紋

蘭蜆日生長紋

震旦角石雙周生長紋

粗飾蚶產(chǎn)卵間斷紋

克氏蛤年生長紋

幾種典型的古生物鐘化石

珊瑚

珊瑚蟲是一種腔腸動物，珊瑚蟲幼蟲階段經(jīng)過一段時間漂浮后會固定在先輩珊瑚的石灰質(zhì)遺骨推上，并分泌出外殼，即外骨骼，也就是我們一般意義上的珊瑚，其主要化學成為是Ca CO3。

生長在海洋里的珊瑚，由于白天陽光充足，取食容易，珊瑚蟲生長得快；到夜晚，情況相反，生長得慢。所以在珊瑚體的外壁上呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期性變化，每隔一天便在鈣質(zhì)的外壁上出現(xiàn)一圈環(huán)紋，這就是生長線，這些環(huán)紋極為微細，其厚度一般小于50μ。同一年的環(huán)紋，前后排列頗為緊密，集合為稍寬的生長帶。根據(jù)現(xiàn)代的珊瑚生長情況的觀察，其外壁的每一條生長帶包含有360～365條環(huán)紋（生長線），也就是與一年的大數(shù)大體吻合。只要計算一下生長帶，任何化石或活標本的年齡也就清楚了。

珊瑚化石是一種典型古生物鐘材料

珊瑚化石體壁上的細節(jié)

貝殼

貝殼主要指軟體動物（如雙殼類、腹足類、頭足類等），它由外套膜分泌鈣化物所形成。貝殼的生長速率是隨著生物個體溫度以及食物供應變化而變化的。在夏季，貝殼的生長相對較快。冬季則休眠或生長很慢。貝殼上的高亮帶即為一年內(nèi)的生長增量。白天，陽光明媚，溫度適宜，貝類新陳代謝快，沉積碳酸鈣形成淺色紋層；夜晚，光線減少，溫度降低，貝類的新陳代謝也相對變慢，體內(nèi)開始厭氧呼吸，酸脂含量升高，分泌物中有機質(zhì)含量偏高，形成深色紋層。漲潮時，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，貝殼雙殼開啟，外界水流進入，沉積碳酸鈣；當殼體關閉較長時間時，沉積作用中斷，在這間斷期間就沉淀薄層有機質(zhì)。潮越大，殼體鈣質(zhì)層明顯增厚，小潮時，鈣質(zhì)層則變薄?，F(xiàn)代蘭蜆的顯微結(jié)構(gòu)還可以看到半日生長紋層，即兩條較寬的有機質(zhì)層中間夾雜著一條較窄的有機質(zhì)細帶。

腕足也是一種典型的古生物化石鐘研究材料

腕足化石與古生物鐘

雙殼類的生長紋很清晰

鸚鵡螺

鸚鵡螺是頭足類的一大類型，有很長的演化歷史?，F(xiàn)代鸚鵡螺的兩片隔膜之間的生長線的數(shù)目似乎是恒定的。即每段隔斷的螺腔平均有30條生長線，這個數(shù)目，正好與太陰月（節(jié)律）的時間長短（29.53日）相吻合。因此，該動物外殼上的可見生長線條可能是按每天一條的速度生長的，而隔膜則是每一太陰月形成一塊。對全世界奧陶紀以來的鸚鵡螺化石外殼研究表明，不同地區(qū)不同屬種的鸚鵡螺，它們的生長線條數(shù)目都是相同的。而隨著地質(zhì)年代的推進，每段螺腔的線條數(shù)目呈不穩(wěn)定地遞減，即每月的天數(shù)在減少。這一發(fā)現(xiàn)與月球在遠離地球的規(guī)律相一致。

鸚鵡螺的生長線

龜鱉

龜鱉目俗稱龜，身上長有非常堅固的甲殼，它由拱起的背甲和扁平的腹甲構(gòu)成。龜?shù)耐獗砻嬗山琴|(zhì)盾片構(gòu)成，龜甲的生長紋就是龜盾片上的紋路，背甲上表現(xiàn)為同心環(huán)紋（同心紋），一條同心紋代表一個生長周期。在龜生長時，骨板延伸，但表面盾片角質(zhì)和色素還來不及生成，就是露出底下的骨板，表現(xiàn)出白色或淡黃色淡粉色這樣的紋路，就像是由于盾片擴張而出現(xiàn)的裂縫，那就是新的生長紋。隨著生長的進行，角質(zhì)、色素填補了先生長的骨板，裂縫慢慢消失，就形成了成熟的生長紋（背甲上的同心紋或者腹甲上的規(guī)則細紋）。等下一輪生長高峰期新的生長紋又會爆出，周而復始，龜漸漸長大。盾片的生長紋并不是每年長一道，而且年齡愈大，生長紋愈模糊。生長紋一年長三四道、或者五六年長一道也都是很正常的。所以如果單從龜甲生長紋并不能準確推算龜類年齡，只可作為一種參考。

龜殼生長紋

鯊魚

鯊魚，屬于軟骨魚的一支，一群板鰓類魚的通稱。鯊魚的生長與大部分的魚類生長類似，具有不均勻性，會在鱗片和骨骼上留下痕跡。比如在鱗片、耳石、鰓蓋骨和脊椎骨等上面形成特殊的、排列規(guī)整的年周期環(huán)狀輪圈，類似樹木的"年輪"。這些生長輪的形成與鯊魚生活的水溫及食餌條件密切相關，也與外界因素包括餌料、溫度、光照、水體大小、其他化學因子（如pH值、鹽度、溶解氧）等有關。因此，其生長輪的形成并非總是以一年為周期。

鯊魚類的年齡鑒定方法主要有組織鑒定，長度頻率分析等。其中主要硬組織材料有椎骨、背棘和神經(jīng)弓，可以通過觀察硬組織上的輪紋結(jié)構(gòu)判斷魚類年齡和生長情況。

鯊魚椎骨

鯊魚骨與生物鐘

樹木

在樹木伐倒后，在樹墩上我們可以看到有許多同心圓環(huán)，這就是我們所熟知的年輪，它是樹木在一年的生長周期里所產(chǎn)生的一個個紋層，有些紋層可能并不僅僅代表一年，所以統(tǒng)稱為生長紋。樹干上的生長紋顏色有深有淺，形狀有的是十分規(guī)整的正圓，有些會有些變形，這與其生長環(huán)境條件（氣溫、氣壓、降水量）密切相關。

在春夏季時期，氣候和水分等環(huán)境適合植物生長，樹干中的形成層的細胞非?；钴S，分裂很快，生長迅速，形成的木質(zhì)部細胞大，壁厚，較稀疏，輸送水分的導管也多，顏色較淺；反之，秋冬季環(huán)境較差，植物生長較慢，形成的木質(zhì)部較緊密，顏色較深。依次循環(huán)，隨四季交替形成一圈一圈深淺交替的生長輪。

樹木樹干的生長還與所受陽光照射有關，朝南一面陽光照射充足，該面木質(zhì)部生長速度快，年輪較寬，而背陰朝北的一面因陽光較少，年齡顯得較狹窄。

樹木生長輪和生物鐘

古生物鐘的應用

記錄地球自轉(zhuǎn)變緩

根據(jù)古生物鐘的研究表明，地球自轉(zhuǎn)速度至少從寒武紀以來是逐漸變慢的，這也符合天文學家的推算。同時，根據(jù)化石生長線的研究，地球自轉(zhuǎn)周期變慢是不均勻的。地球自轉(zhuǎn)周期變化大概分為三個階段：（1）4.5億～2.5億年前，這一時期地球自轉(zhuǎn)變慢速率較快，反映了地球和月球相互作用強烈。（2）2.5億～0.65億年前，這一時段地球自轉(zhuǎn)速率變化較小，地球每年和每月的天數(shù)幾乎沒有變化，地月之間的位置處于相對平衡狀態(tài)。（3）0.65億年前～現(xiàn)在，該時期地球自轉(zhuǎn)變慢速率明顯加強。古生物學家發(fā)現(xiàn)，這兩次地球自轉(zhuǎn)速率變化的轉(zhuǎn)折點和地球歷史兩次重要的生物大滅絕（二疊/三疊紀，白堊/古近紀）基本吻合。

了解地球自轉(zhuǎn)天數(shù)甚至小時

許多古生物學家搜集到各地質(zhì)年代的珊瑚化石，外壁環(huán)紋中找到各地質(zhì)年代的每年天數(shù)。根據(jù)珊瑚化石的生長環(huán)紋還可以推算出該珊瑚生存時期每天應包含的小時數(shù)，其計算公式如下：現(xiàn)代每年的天數(shù)×每天時數(shù)=珊瑚化石生長環(huán)的圈數(shù)×X。X代表當時每天的時數(shù)。

珊瑚化石上的外壁環(huán)紋反映地球過去信息

奧陶紀以來地月軌道參數(shù)

證實月球正在遠離地球

古生物鐘研究證實，月球與地球的距離隨著時間的推進也在有規(guī)律地發(fā)生變化。例如天文學家認為：由于潮汐的摩擦作用，地球?qū)υ虑虻臓恳σ仓饾u減少，基于這種原因，目前月球正在按每年5.8厘米的速度悄悄地遠離地球而去，也就是說，過去的月球逃離地球的速度更快，例如白堊紀時，可能每年的速度為94.5厘米。這種推想，也被古生物鐘所證實。

證實大陸漂移

古生物鐘與大陸板塊漂移

古今珊瑚的年生長值與溫度有關，即海水溫度愈高的區(qū)域，古今珊瑚的年生長值愈大；而且古今珊瑚的年生長值相近，則海水的溫度也接近，由此可以通過比較年生長值，推測古溫度。古今珊瑚的年生長值也與地理位置有關，離赤道愈近則愈大，離赤道愈遠則愈小。另外，古今珊瑚的季候生長現(xiàn)象，離赤道愈近則愈模糊（因為地處熱帶，無四季變化之故），離赤道愈遠的海域則愈清楚。臺灣馬廷英曾統(tǒng)計出珊瑚化石的上千個數(shù)據(jù)，詳細地標出各地質(zhì)歷史時期的赤道位置（珊瑚總是生長在赤道兩側(cè)的海洋中）及兩極的位置。他發(fā)現(xiàn)：各地質(zhì)歷史時期的赤道位置與兩極位置大不相同，都曾經(jīng)發(fā)生過位移，因而他提出大陸曾發(fā)生過漂移的設想。

揭示地球古環(huán)境變化

在揭示古環(huán)境、古氣候研究中，陸地上的古植物生物鐘--生長輪（年輪）起到了非常重要的作用。因為樹木的生長輪結(jié)構(gòu)和特點與樹木生長地區(qū)的氣候條件有十分密切的關系。通常，植物化石中的生長輪的有無能夠反映當時的季節(jié)變化，生長輪的寬窄可以顯示當時的水分情況。通過測定植物化石中生長輪的寬度的差異，可以推測出古氣候要素的變化，獲得古氣候變化信息，彌補地史時期古氣候研究的資料不足。與此同時，生長輪中的穩(wěn)定碳同位素變化，也能體現(xiàn)古大氣層二氧化碳濃度的波動歷史。同樣的，樹木生長輪還可以保存過去曾發(fā)生過的隨機事件，如地震發(fā)生、火山爆發(fā)和環(huán)境污染等等。

潮汐

疊層石與潮汐

古氣候變化

樹木年輪可以很好的記錄古氣候信息

軟體動物在反映近代工業(yè)革命以來的環(huán)境變化中的特殊作用

軟體動物的優(yōu)勢

樹木年輪可以提供多達幾千年來的溫度、土壤濕度、營養(yǎng)的信息，但是由于樹木的多孔性，樹木年輪中的元素分布是不完整的。樹木主要保存在大陸的溫、熱帶，限制了它的應用。珊瑚骨骼可以反映熱帶、亞熱帶的氣候和海平面變化，但由于鉆孔生物的破壞，難以保存珊瑚骨骼中的化學信息。軟體動物，特別是雙殼類，被稱為海洋之樹（Tree of the Sea），因為它能靈敏地反映環(huán)境的變化。與樹木和珊瑚相比，雙殼類也有著明顯的優(yōu)勢，這是因為它是全球分布,包括海洋、半咸水和淡水;具有硬而致密的碳酸鈣殼，能夠保存完整的化學元素，目前已知軟體動物殼有50多種化學元素;具有清楚的年生長增值;具有較長的生命周期,許多雙殼類具有很長的壽命，可高達200多年。

再造工業(yè)革命以來的環(huán)境變化的特殊意義

雙殼類殼質(zhì)生長速率，微細結(jié)構(gòu)和化學元素的綜合研究能夠有效地指示環(huán)境的變化。通常在水介質(zhì)營養(yǎng)發(fā)生變化時，殼質(zhì)生長速率會急速增大或遲緩；殼質(zhì)晶體在不同溫度下的生長有很大的不同；顯著的環(huán)境變化會使殼的表面增生次生結(jié)構(gòu)和變形；化學元素的濃度也會發(fā)生變化。由于軟體動物具有廣泛的生態(tài)分布，可以在不同自然地理區(qū)發(fā)揮檢測環(huán)境污染和再造地質(zhì)歷史中環(huán)境變化的重要作用。目前，雙殼類主要用于這些方面的環(huán)境指示：酸雨造成的酸化作用，受污染區(qū)淡水的超營養(yǎng)作用，農(nóng)業(yè)肥料污染，沿岸和海洋的污染，礦產(chǎn)污染，工業(yè)污染，能源污染，核能污染，森林的盲目砍伐、火山灰，大壩和汽車排氣造成的污染。因此，在歐洲和美洲，雙殼類被用來檢測全球環(huán)境的變化，再造了近二百年來的環(huán)境變化，反映了環(huán)境污染逐漸增加的趨勢。并且，建立了以軟體動物雙殼類為研究對象的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡。

雙殼類年輪

雙殼類年輪

溫度曲線