追尋早期的地球生命

曹瑞驥 袁訓來

各基礎學科之間的相互滲透是現代科學發展的趨勢之一。自從20世紀中期“古生物鐘”研究興起以后，天文學與古生物學這兩大古老基礎學科之間的橫向聯系已初見端倪。其實在古生物體內記錄的天文學信息并未局限于“古生物鐘”，其中一些可能至今仍不為我們所識別。如何運用天文學知識探索古生物學中的許多有關問題，已成為擺在我們面前的一個新課題。

何謂“古生物鐘”

在浩瀚的宇宙中間，地球僅是數以億計的天體之一。從形成以后，地球就按一定的規律演化和不停地運動。在太陽系中，地球的運動包括繞太陽的公轉運動和繞其本身自轉軸的自轉運動?，F今，地球繞太陽公轉一周的時間約為365.3個太陽日，自轉一周的時間約為23小時56分鐘。月球是最靠近地球的一個星體，它既圍繞地球運轉，又參與繞太陽的公轉。月球圍繞地球運轉的周期，因選用基點的不同，現今分別為29.53、27.32、27.21、27.55個太陽日。

當前的研究已經證明，地球的自轉速度和地月之間的距離在長達幾十億年的地質歷史中是不斷變化的。地球自轉速度的變化與一系列重大地質事件的發生可能有種種的聯系。很早以前，李四光就認為地球上緯向褶皺帶的成因或許與地球旋轉速度的變化有關。天文學研究證實，地球自轉具有從快變慢的趨勢。但現今的天文學知識無法提供不同地質時期地球轉速的遞減率。因此，人們將希望寄托在記錄天文信息的古生物結構的研究上。

由于地球的自轉，地球上出現了晝夜的交替，并由此導致了陽光、溫度和沉積物化學組分等方面的周期性細微變化。這些細微變化常直接影響某些地球生物的生理功能和細胞的生長速度，從而引起生物生長結構上的相應變化。這些生長結構上的變化通常以層紋形式記錄在生物體內或殼體中。人們將這些層紋稱為“日層紋”。

當地球繞太陽公轉時，由于地球接受太陽輻射的不同（取決于地球相對干太陽的幾何位置），地球上出現年、季節和潮汐的周期性變化。這些變化又引起日層紋在排列、組分和顏色等方面的相應變化，并形成反映“年”和“季節”的生長節律（或稱“旋回”）。這些生長節律如同鐘表一樣周而復始地出現在古生物結構中。根據對化石中保留的層紋生長節律的性質和等級的分析和研究，人們很容易地統計出每個年或季節的節律中的日層紋數，并據此揭示不同地質時期地球自轉速度的變化。20世紀60年代，Runcorn把古生物反映出時間尺度變化的功能稱為“古生物鐘”。

由于生物的習性，生長速率和骨骼性質各異，并非所有生物的生長結構都記錄有明顯的天文學信息。能夠開展古生物鐘研究的化石現知有珊瑚、瓣腮類、頭足類、腕足類、層孔蟲、苔蘚蟲、鈣質蠕蟲管、海膽板、節肢動物和疊層石。除疊層石外，其他均為動物化石。利用動物化石開展“古生物鐘”的研究，人們僅能獲取顯生宙以來（即從5.4億年前至今）的資料。地球形成歷史接近46億年，從古生物學上探索地球早期的天文學和地球物理等方面的信息只能依賴疊層石。

當前“古生物鐘”研究中最大的障礙在于很難尋覓到記錄完整的天文學信息的古生物材料。一些相對完整的天文記錄又常受后期歲月的破壞而湮沒。這些先天性的不足常是當前研究中的無奈和尷尬?！肮派镧姟毖芯恐两袢酝Ａ粼趪L試和試驗階段。

疊層石“古生物鐘”研究的科學依據

由于生理作用，某些動物可以將地球自轉和公轉運動引起的周期性的環境變化以層紋形式記錄在硬質殼體之上。但疊層石是藍細菌類構成的一種生物沉積構造，在本質上區別于具有硬質殼體的動物。將疊層石作為“古生物鐘”研究的科學依據何在？需要首先闡明。

人們通過對現代“活”疊層石的實驗并與化石疊層石比較研究后發現，由于日照的刺激作用和藍細菌類微生物的趨光作用，疊層石可以與硬質殼體動物一樣，將晝、夜為單位的時間段（天）以層紋形式記錄在結構中。其日層紋形成機理可以分為以下兩類。

第一，當白天來臨，陽光普照，一些組成疊層石的絲狀藍細菌對日照特別敏感，紛紛向光源方向直立敞開生長。而當太陽落山，黑夜籠罩大地時，這些絲狀藍細菌將由直立轉向密集匍匐分布。如此日復一日，一系列日層紋逐漸形成。這類日層紋是由于晝、夜光線變化導致絲狀藍細菌排列方式發生相應變化形成的，在現代“活”疊層石和燧石質化石疊層石的薄片中經常見到。它們的厚度通常介于80至150微米之間。在碳酸鹽巖化石疊層石薄片中，藍細菌類微生物極少保存，但在其中常觀察到一些較厚的淺色微層（有機質相對貧乏）與較薄的深色微層（有機質相對豐富）交替分布。每個“微層對”的厚度與上述日層紋接近。有學者認為，這些“微層對”的成因似乎可以用上述日層紋成因機理加以解釋，它們可能代表晝、夜沉積記錄。

第二，一些藍細菌類微生物在白天日照刺激下可以堆積一層薄薄的微生物膜，當缺少陽光的夜晚來臨，微生物膜暫停堆積。第二個白天，另一層微生物膜又被形成，因而在兩層有機質豐富的暗色微生物膜之間，常出現一層極薄的無機質亮間隙層，將兩層微生物膜隔開。如此周而復始，另一類日層紋系列逐漸形成。在燧石質疊層石化石薄片中，常觀察到這類日層紋，一些微生物膜中還可以見到類似Rlvularia藍細菌的結構。這類日層紋厚度通常介于30至60微米。

在太陽系內，地球和月球在萬有引力的作用下，組成了一個關系密切的二體力學體系。地球因受月球引力的作用形成潮汐，液體潮汐的高差可達67厘米。對潮間帶和淺水潮下帶的疊層石而言，每天的潮汐作用可導致疊層石沉積組分的周期性變化，同樣可以在疊層石中形成日層紋。這種日層紋的產生似乎受控于化學沉淀或機械沉積作用。在以月為時間單元的跨度內，由于受每月的大潮影響，疊層石日層紋系列在排列密度和色澤深淺方面常出現一定的變化，有時可以形成反映月周期的生長節律（旋回）。

在地球上，季節的交替是地球接受太陽輻射變化引起的，受輻射能量的大小取決于地球某地與太陽之間的相對幾何位置。同時太陽輻射能量又與地軸的傾斜角度（即黃赤交角）有密切關聯，黃赤交角值在季節形成和變化方面起相當重要的作用。因而可以通俗地理解為，地球上季節的交替是受太陽傾向直接影響的結果。建造疊層石的藍細菌類微生物，由于自身的趨光性能，在缺少垂直光線輻射的情況下，總是迎向太陽輻射能量大的方向生長。因而一些柱疊層石的生長方向將隨季節的變更而轉向。

疊層石“古生物鐘”研究的實例

科學家運用將今論古的方法，通過對現代“活”疊層石的研究，建立了上述疊層石“古生物鐘”研究的理論依據。仔細推敲和思索后不難發現，上述理論依據尚欠足夠的嚴謹性。盡管如此，近30年來不少科學家仍開展了有關方面的探索，并獲得了一些前寒武紀地球自轉速度的數據，但這些數據的可信度值得討論。

比如，Anabariajuvensis是一種產自澳大利亞中部新元古代苦泉組（距今8.5億年）的多分叉柱疊層石。從表面觀察，該疊層石具以下兩項特征：①疊層石柱體屢次呈自然平緩的彎曲，彎曲的形成似乎與水動力等機械因素無關；②柱體多半燧石化，其中微層紋保存完整而清晰。20世紀80年代中期，美國天文學家Vanyo和前寒武紀古生物學家Awramik通過連續切片方法對疊層石進行了剖析，他們驚奇地發現，這些疊層石柱體的軸線經常彎曲成類似數學上的正弦曲線；同時，彎曲的弧線與垂直地層層面直線之間的夾角均在20°左右，與現代的黃赤交角頗為接近。因而推測這類疊層石形成在古赤道附近，而柱體的正弦曲線狀的自然彎曲是由于季節更替導致藍細菌類微生物追逐太陽輻射能量大的方向轉向生長所致。因此上述正弦曲線中的一段“S”形柱體應代表1年的沉積。根據對“S”段柱體內微層紋（日層紋）的統計，他們計算出在8.5億年前地球上每年約為410天。

以上推理和推算方法似乎并無明顯欠妥之處，但最大的疑問是，在漫長的“年”時間段內，日層紋似乎不可能無間斷地連續堆積，因而上述每年的天數可能較實際偏低。

再比如，Pseudogymno-soiencondylose是一種發現于天津薊縣中元古代霧迷山組底部（距今14億至13億年）的微小分叉疊層石。疊層石個體小，柱體直徑小于0.5厘米，已燧石化，呈黑色。極為有趣的是，這類小疊層石與平坦的由Lyngbya類藍細菌組成的微生物席交替分布，構成疊層石—微生物席—疊層石的周期性韻律。Lyngbya類藍細菌通常生活在半干半濕的暴露環境，反之，連續堆積的疊層石形成在被水淹沒的環境。上述疊層石與微生物席交替分布實際反映了濕和干兩種環境的周期性變化。薄片研究發現，上述微小疊層石中顯示兩類微構造：①由較薄的亮帶與較厚的暗帶相互交替形成的微層紋，其厚度不足50微米；②由一系列微層紋構成的微層紋組，每個組的厚度為0.5至1.5毫米。微層紋組的劃分主要依據色澤的差異。每個小疊層石的柱體通常包含2至9個微層紋組。綜合以上所述，在當前標本中可以明顯辨認出3個不同等級的生長周期：①由亮帶和暗帶交替形成的微層紋（1級）；②層層相疊的微層紋組（2級）；③微生物席與小疊層石的交替分布（3級）。

當前研究中的核心問題是對上述3個生長周期的成因做出合理的科學解釋。據對中美洲巴哈馬安德羅斯島西部沼澤區“活”疊層石的觀察和研究發現，當每年的干旱季節來臨時，疊層石暫停生長并遭剝蝕，緊接著微生物席覆蓋其上。當干旱季節結束雨季來臨，疊層石又在微生物席上生長和發育，如此周而復始。這種一年一度干、濕交替環境下的生長模式明顯可以與上述3級周期的生長方式進行比較。因而，上述3級周期的生長時間跨度可以用以下公式示意：疊層石堆積剝蝕+微生物席堆積=1年沉積記錄。上述1級微層紋厚度與現代“活”疊層石的日層紋接近，它們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間隙層。顯而易見，上述2級微層紋組應為月周期的沉積。

將縱向切制的疊層石柱體薄片置于顯微鏡下，順柱體軸延伸方向連續照相，并對微層紋組中包含的微層紋數在放大照片上進行統計。結果發現，每個微紋層組中多半包含40至49個微紋層（即平均為44.5個微紋層）。以上數據反映，在中元古代初期每個月約有44.5天。假定當時每年仍為12個月，則在13億至14億年前，每年應為534天。

以上每個月包含天數的數據是在對數百個微層紋組統計的基礎上獲得的，較為可信。

從疊層石中的潮汐記錄探索地月距離的變化

澳大利亞西部鯊魚灣一帶為半封閉的高鹽度海灣，一般海洋生物幾乎絕跡。在這種極端環境下，藍細菌類微生物十分活躍，由它們建造的柱疊層石鱗次櫛比，散布在動蕩的潮間帶。由于“活”疊層石在現代海洋中極為罕見，從20世紀60年代開始，許多地質學家從不同角度對它們開展了深入研究。一次偶然的觀察，人們驚奇地發現這些疊層石在沿海岸線分布上似乎具有某些規律性，在潮汐振幅大的地區生長的疊層石概要縱斷面偏高，反之，在潮汐振幅小的地區偏低。潮間帶疊層石概要縱斷面的高度與潮汐的振幅有著緊密關聯。地球上液體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與地月之間的距離密切相關。以上發現提示人們，如果對不同地質時期的潮間帶柱疊層石的概要縱斷面進行系統的調查和深入研究，將為人們提供地球早期地月距離的變化和潮汐引力對地球發展歷史的影響等方面的資料。

何為概要縱斷面？為了從動態上理解建造疊層石的基本單元——層紋，并將它們恢復到形成時的“活”狀態，加拿大學者Hofmann創建了“概要縱斷面”這一術語。該面代表建造疊層石的微生物席的起伏面。微生物席通常形成在沉積面之上的1至10毫米的水層中，因為這里是最適合微生物繁殖和新陳代謝活動的地區。而微生物席一旦暴露于水面，必將停止生長，并遭受剝蝕。建造疊層石的微生物席通常呈穹形，這是由于藍細菌的趨光性及微生物活動導致沉積物向上運動所致。疊層石的每個概要縱斷面反映某一時刻微生物席的活動狀態，即昔日沉積物—水界面狀態和微生物席的相對水深。

百余年來，特別是登月計劃實施以來，月球軌道變化，包括地月距離變化的研究已受到高度關注。天文學研究表明，月球軌道半徑每年要增加4.5厘米，也就是說，在遙遠的地質時期，月球的位置要離地球更近一些。為了證實這一觀點，國際著名的地質學家Cloud對世界不少地區的潮間帶疊層石進行了深入調查和研究，發現距今10億年前的潮間帶疊層石概要縱斷面高度遠比現今的大得多，其中一些可達6米。這表明當時的潮汐振幅應在6米以上。因而他推測前寒武紀中期前后，潮汐幅度超過其他任何時期，當時地月距離最為接近。然而，他的這一看法并沒有被廣泛接受。有學者認為，距今30億年前的潮汐高差更大，可達12至25米?？磥?，這項研究仍需繼續下去。