互动科普

撰文/樊隽轩 叶法丞 冯伟民

在地质学研究中，将今论古的思想，或“历史比较法”是常用且十分有效的研究方法。即通过对地球历史中遗留下来的地质现象和结果与现今地质现象对比，来反推古代地质事件发生的条件、过程和特点。

我们都知道现代生物的生命活动都会随着节律，如日、月、年的波动而产生周期性变化，这些波动时刻影响生物体的生命活动，仿佛是生物体内无形的“时钟”。而在远古的过去，生物的生长过程中同样也存在类似的节律性，并保留在所形成的化石中，为我们提供了珍贵的研究材料，科学家们称之为“古生物钟”。

远古一年有几天？

在上世纪30年代，我国著名古生物学家马廷英就注意到古代珊瑚化石上的生长纹层可以反映当时的气候季节性变化的信息，随后他将之与现代珊瑚进行对比，进而发现它们都具有日生长和季候生长的现象。珊瑚的生长对环境要求比较严格，其生长纹层类似树木的年轮，能够很好地连续记录其生长时期里的海水环境情况，因此又有“海上树轮”的美誉。加之珊瑚动物自寒武纪出现以来一直延续至今，能为科学家研究地球演化提供重要的连续信息。

今年6～7月之交，由于地球自转变慢，全球同步多出一秒。据此推断，是不是过去的地球自转比现在要快，一年的天数比现在要多呢？

上个世纪60年代，美国学者约翰·威尔斯（John Wells）经研究发现，古代珊瑚与现今珊瑚的“日生长纹”存在显著差别。其中泥盆纪的珊瑚每年平均有约400条细生长线，石炭纪的珊瑚则大约有390条左右。他便据此推测，这些纹层反映的是远古地球一年的天数，且年代越古老，天数越多。由此，他确立了“古生物钟”的概念。科林·斯克鲁顿（Colin Scrutton）随后对泥盆纪珊瑚标本进行了更深入的研究，他发现在一些保存良好的珊瑚化石标本上还能识别出年、月、日等不同等级的生长线，并指出某些标本上保存的一年13个生长带可以对应当时的13个阴历月，每个阴历月平均30.59天，一年共399天。他认为这13个生长带的形成极有可能与每月一次的排卵相对应。

实际上，珊瑚化石的“古生物钟”除了体现为外部周期性凹凸的外生长线外，复体珊瑚内部骨板排列疏密度的变化所形成的内生长线，同样能提供非常重要的线索。珊瑚化石纵切面上骨板疏密的周期性，可分为亮带和暗带。亮带和暗带分别形成于夏季和冬季，一个年生长线一般包括一个亮带和一个暗带。珊瑚的内生长线还可用于推算珊瑚的年生长率。研究古生代四射珊瑚多使用外生长线，而横板珊瑚和现代六射珊瑚常根据内生长线来测定。

一般认为，珊瑚生长线与其生长的环境密切相关，生长线越明显，表明其环境变化越显著。赤道附近温差较小，其内生长线较不明显；而距离赤道越远，珊瑚的内生长线越显著。同时珊瑚生长率的高低也与其生活环境特别是水温息息相关。海水的年平均温度越大，珊瑚长得越快，同时骨板排列越疏松，生长率也越大。珊瑚化石这种特殊属性，使其在古生物钟研究中常被用于古地理研究和古赤道位置判定。

图1. 依据古生物钟资料绘制的地质时期每年天数示意图  图/曹瑞骥 袁训来

记录潮汐和月相

古生物钟不仅在诸如珊瑚、贝壳等宏体生物上有所显示，一些微体生物，如形成于数亿年前的叠层石化石，其周期性的明暗纹层变化同样是一种古生物钟，对它们的解读，可以让我们对显生宙之前更古老的地球环境，以及当时的日-地-月关系有更详细的了解。

叠层石是以蓝藻为主的微生物通过生长和代谢活动黏结沉积矿物颗粒而形成的生物沉积构造。白天阳光充足，藻类光合作用强，所以藻丝体向上生长，同时还会黏附周围颗粒物，形成亮纹层；夜晚光线弱，藻类的光合作用弱，藻丝体匍匐生长，形成暗纹层。一个亮纹层加上一个暗纹层，就等于藻类的一个日生长周期。因为叠层石生长在滨海环境，潮汐作用导致的水动力变化会改变沉积物的供给，致使藻类黏附颗粒物大小和数量的周期性变化，由于潮汐运动与地、月相对位置的周期性变化有关，因此藻类黏附颗粒物的周期性变化反映的是古代的月周期变化，加上藻类生长的趋光性，一年中随着太阳光直射点的移动，叠层石的生长在纵向上就会形成类似“S”形的形状，一个完整的“S”形就代表了一年的生长，是为年周期。

我国古生物学家曹瑞骥通过对蓟县地区雾迷山组叠层石生长节律的研究，推算出的12亿年前的每个月有40～49天。而对周口店地区铁岭组叠层石的研究得知，10亿年前地球的一年至少有516±20天、12.9±0.5个月，一个月有40天，一天只有16.99±0.66小时。

通读懂古树的年轮

树木年轮的故事我们都耳熟能详，实际上它就是树木的生长线，同时也是科学家们研究古气候时的“古生物钟”。虽然一棵树的生命有限，但要是古生物学家能够取得整片地区大量古树的年轮，并将其连接起来，就可以阅读成百上千年的故事。近几十年来，利用树木年轮了解气候变化的研究在世界各地广泛开展，技术水平也不断提高，成为目前研究第四纪气候，特别是数百年来的气候变化最为广泛和有效的方法之一。

通过对树木年轮的研究，美国学者重建了北美高纬度地区近300年间（1682～1968）的温度变化情况，发现了美国西部草原每隔11年发生一次干旱，并成功预报了1976年的大旱。我国气象工作者对祁连山区古圆柏树的年轮研究显示，我国近千年来的气候以寒冷为主，17世纪20年代到19世纪70年代是近千年来最长的寒冷时期，一共持续250年。

除了气温以外，降水量也是影响树木年轮生长的重要因素。在生长季节，降水量对树木的影响最大，一般情况下年轮宽度往往与降水量正相关。所以，树木年轮还常被用作研究不同区域间降水量的比较。而一些环境的异常变化如大气CO2浓度升高、旱灾、火灾、森林病虫害、火山喷发、地震、冰川运动以及人为环境污染等同样会影响树木的生长，因而在其年轮上也会有所反映。

图2. 三叠纪的木化石，可见明显的年轮

鹦鹉螺的气室是古生物钟吗？

不过，虽然生物的生长无一例外都会受到周围环境的影响，但并不是所有外界周期性的变化都会在化石上留下痕迹，同样，并不是所有的生物纹层都反映环境的周期性变化。比如，鹦鹉螺的气室曾长期被认为是古生物钟。但对现代实验室条件下培养的鹦鹉螺观察得知，鹦鹉螺的每个气室会随着鹦鹉螺长大而略微变大，而每形成一个更大的气室则需要更多时间。比如，在生长初期，鹦鹉螺形成一个腔室大约只需2星期，而最后几个腔室的形成则均需要耗时6个月。而鹦鹉螺壳上的条状螺纹，也仅仅是装饰作用，与周期性变化无关。

通过古生物钟的研究，科学家不但了解了古代的环境信息，同时还佐证了古天文学，并促进了古地理学等学科的发展，研究对象也从一开始的珊瑚扩展到双壳类、腕足类、头足类、层孔虫、叠层石以及植物等其他门类。最近，在恐龙等脊椎动物的骨骼中也发现了古生物钟的现象。现在我们身边的生物节律现象，在未来或许也是一种古生物钟呢。

（本文发表于《科学世界》2015年第11期）