走近疊層石探尋遠(yuǎn)古生命遺跡

蘇德辰

前傳——地球的誕生

圖 1 許多在巖層表面顯露的疊層石，上部凸出的部分已經(jīng)被河水侵蝕殆盡，留下了許多不十分規(guī)則的同心花紋，這些花紋被許多戶外愛(ài)好者稱為天然油畫(huà)

在主角登場(chǎng)之前，我們先了解一下地球的演化史。46億年前，剛剛誕生的地球是由無(wú)數(shù)圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的星際碎片在重力作用下吸積而成的，密度大的物質(zhì)逐漸向中心聚集，相對(duì)較輕的物質(zhì)則向外溢出，形成了原始的分層結(jié)構(gòu)。這個(gè)重力調(diào)整過(guò)程本身會(huì)產(chǎn)生大量的熱，加上當(dāng)時(shí)還有持續(xù)不斷的星際物質(zhì)的加入，大小不等的隕石、隕冰不斷撞擊地球。強(qiáng)烈的撞擊使得地球表面的溫度達(dá)到千攝氏度以上，足夠把一切物質(zhì)熔化。因此，那個(gè)時(shí)候的地球表面還沒(méi)有足夠多的大氣，幾乎完全是由巖漿構(gòu)成的一片火海。當(dāng)時(shí)，如果有智慧生命恰巧從太空光顧地球的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)地球既不是現(xiàn)在的藍(lán)色水球，也不是8億年～6億年間的白色雪球，而是一顆耀眼的紅色火球。

兩三億年之后，隨著地球表面溫度降低，地表上原始巖漿冷卻固結(jié)，形成了原始的陸地，但此時(shí)地球上還沒(méi)有海洋，因?yàn)榈厍虮砻娴臏囟热匀缓芨?，水分子只能以氣態(tài)的形式躲在高高的大氣圈中。此時(shí)的地球有了原始的巖石圈和原始的大氣圈。

等到地球表面溫度降到了100℃以下，大氣中的水蒸氣開(kāi)始凝結(jié)并以雨水的形式降落到地表，在低洼處匯集，逐漸把大部分地表覆蓋在水下，形成了原始的海洋。距今40億年左右，比較完備的巖石圈、水圈和大氣圈終于形成，但此時(shí)的大氣中幾乎沒(méi)有氧氣。

地球生物圈的締造者——藍(lán)細(xì)菌

距今40億年～39億年間，在太陽(yáng)輻射、宇宙射線和雷電等因素的誘發(fā)下，原始海洋中出現(xiàn)了最基本的生命物質(zhì)（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶），但這些生命物質(zhì)并沒(méi)有完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，還不是真正意義上的生物。

大約到了距今37億年～35億年，原始的生命物質(zhì)在海洋中聚集并演化成了藍(lán)細(xì)菌（早期的文獻(xiàn)中多稱為藍(lán)藻或藍(lán)綠藻）。藍(lán)細(xì)菌具備了新陳代謝和自我復(fù)制等基本的生物特征，特別要提及的是，藍(lán)細(xì)菌能夠吸收陽(yáng)光的能量，把水中的二氧化碳分子轉(zhuǎn)化為自身生長(zhǎng)需要的碳，同時(shí)向原始的海洋和大氣中釋放氧氣。正是由于原始海洋中藍(lán)細(xì)菌的大量繁殖，極大地改善了原始海洋和大氣中的環(huán)境，在經(jīng)過(guò)十多億年的時(shí)間，積攢到足夠的氧氣之后，才使得地球上生物大爆發(fā)。有的科學(xué)家推算，當(dāng)今地球上21%的氧氣來(lái)自藍(lán)細(xì)菌的光合作用。

不僅如此，許多金屬礦床，特別是海洋環(huán)境中形成的鐵、鉛鋅、金、放射性鈾礦等都與藍(lán)細(xì)菌的大量出現(xiàn)有密切關(guān)系。所以說(shuō)，把藍(lán)細(xì)菌稱為地球生物圈的締造者一點(diǎn)也不過(guò)分。

占據(jù)地球歷史30多億年且又這么重要的生物，長(zhǎng)什么樣子呢？藍(lán)細(xì)菌自從在地球上出現(xiàn)就一直存在著，它個(gè)體很小，沒(méi)有骨骼，沒(méi)有四肢，單一的個(gè)體幾乎無(wú)法在海洋環(huán)境中生存，只能靠無(wú)數(shù)的藍(lán)細(xì)菌“抱團(tuán)”附著在海底的巖石上才能生長(zhǎng)，它們具有很強(qiáng)的黏附能力，在生長(zhǎng)過(guò)程中，會(huì)分解海水中的碳酸氫鈣，然后把分解生成的碳酸鈣微粒牢牢地吸附在海底，年復(fù)一年，就形成了極其薄的碳酸鈣紋層。就這樣，眾多的藍(lán)細(xì)菌先一起在海底的巖石表面形成極薄的堆積層，再一層一層向外增長(zhǎng)擴(kuò)張，最后被后期的沉積物埋藏，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的地質(zhì)變遷，形成了千姿百態(tài)但都具有紋層結(jié)構(gòu)的巖石，這就是疊層石。現(xiàn)在，地球的環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了劇烈變化，藍(lán)細(xì)菌也經(jīng)歷了多次興衰更迭，在地球上所占的比重已經(jīng)很小了，現(xiàn)代疊層石只有在澳大利亞的鯊魚(yú)灣和美洲的巴哈馬群島等極少數(shù)海洋環(huán)境中還可以看到它們生長(zhǎng)的樣子（圖2，圖3，圖4 ），圖3中的疊層石需要至少2000～3000年的時(shí)間才能長(zhǎng)成。

圖 2 澳大利亞鯊魚(yú)灣疊層石與地質(zhì)學(xué)理查德·史密斯博士圖 3 澳大利亞鯊魚(yú)灣疊層石俯瞰（攝影 / 德魯·巴雷特）圖 4 巴哈馬群島正在生長(zhǎng)中的疊層石（攝影 / 文森特·波里爾）

隨著海洋中藍(lán)細(xì)菌大量持續(xù)出現(xiàn)，海水和空氣中的含氧量進(jìn)一步提升。在距今20億年～8億年間為藍(lán)細(xì)菌的高峰期，這個(gè)時(shí)期的地層中疊層石非常常見(jiàn)。由于疊層石產(chǎn)出的環(huán)境差異，導(dǎo)致疊層石形態(tài)各異，不僅有層狀、柱狀，還有錐狀、球狀、丘狀、波狀、樹(shù)枝狀等。而且，疊層石在形成過(guò)程中，不但吸附了海水中的鈣質(zhì)，還能吸附海水中的石英砂和鐵質(zhì)、磷質(zhì)等礦物顆粒。由于吸附了不同的物質(zhì)成分，因此，疊層石不僅形態(tài)多樣，顏色也千差萬(wàn)別。

地層中出露的單個(gè)疊層石丘或疊層石柱可能其貌不揚(yáng)，但是，由眾多疊層石構(gòu)成的群體圖案則具備了迷人的特質(zhì)，許多人把野外見(jiàn)到的疊層石景觀稱為石中石、天然巖畫(huà)等。由于疊層石內(nèi)部深淺不一、顏色各異的美妙紋理、變化豐富的形態(tài)特征，使得疊層石又有了一個(gè)新的用途——被人類用做觀賞石（圖5）。

圖 5 疊層石標(biāo)本左側(cè)為中國(guó)地質(zhì)博物館館藏標(biāo)本，高約24 厘米，采自大連;右側(cè)為作者在北京昌平的一條溝谷中發(fā)現(xiàn)，高約 60 厘米

野外的疊層石

太子墓村疊層石

疊層石在中國(guó)多個(gè)地區(qū)的古老地層中都有分布，從太行山、燕山、陰山、秦嶺，到阿爾金山和神農(nóng)架等地，距今十多億年的中元古代地層中，都發(fā)現(xiàn)了不同特征的疊層石。其中，位于天津薊縣（現(xiàn)為天津市薊州區(qū)）中元古代地層中的疊層石數(shù)量最多，類型最豐富且典型（圖6），而今天我們將沿著109國(guó)道參觀北京西山距今15億年左右的巖層中保存的疊層石（路線及主要觀測(cè)點(diǎn)如圖7所示）。