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最古老的化石——叠层石


□ 欧志吉等

  化石是古代生物的遗体或遗迹经过石化作用后形成的岩石,来自遥远的过去。化石见证了地球的沧桑巨变,充满传奇色彩,因此逐渐受到广大奇石爱好者的青睐与追捧。然而,地球上最古老的化石——叠层石——却鲜有人知。

  叠层石是一种由底栖微生物群落(主要是蓝细菌)在浅水中形成的层状构造。由于光合细菌群落在生长过程中需要吸收周围水体中的二氧化碳,便造成一个贫二氧化碳的微环境。这种微环境促使原本溶于水体中的碳酸钙发生沉淀。这些沉积物留存在菌落外围的黏液层上便形成一道屏障,可以有效阻碍紫外线破坏细菌。与此同时,微生物群落也不断地通过新陈代谢作用捕获、黏结碳酸钙等沉积物颗粒。光合细菌的生长需要阳光,然而,随着沉积物的不断堆积,内部细菌接收到的光照越来越弱,但是会有新的细菌占领光照充足的沉积物最表面。就这样,日复一日,年复一年,细菌本身与沉积物一起形成了层层叠叠的叠层石构造,这些形成叠层石的细菌等微生物也称为造叠生物。由于造叠微生物的不同和微环境的变化,可以形成多种多样的叠层石形态。有的层纹起伏平缓,不同层纹近水平生长,如此便形成了层纹状;有的层纹则具有一个生长较快的中心,层纹在纵断面上呈平缓的突起,并且叠层石本身具有一定的高度,远观形似一根根立柱,这样便形成了柱状叠层石;如果具有平缓突起的叠层石高度并不明显的话,其形态则接近于穹窿状或半球状;如果叠层石生长中心生长速度要比周围快很多时,层纹往往呈锥状起伏,并且不同层纹的生长中心在垂向上会形成一条明显中轴,这时便形成了锥叠层石;有时叠层石甚至会像树枝一样形成分叉,这就形成了分叉状叠层石;有的叠层石则是从一个中心开始,向三维空间不断生长,这样便形成了球状叠层石。当然这些形态模式并不是绝对的,它们之间存在很多过渡形态,如有的叠层石纹层时而十分平缓,时而具有平缓突起,这就形成了层一柱状叠层石。

  “长寿冠军”叠层石

  叠层石是唯一的几乎贯穿整个地质历史的化石类群,不折不扣地见证了地球生命的发展史,可谓当之无愧的“长寿冠军”。

  目前已知最古老的叠层石是发现于澳大利亚西部瓦拉伍那群的硅质叠层石,其年龄约为34.5亿年,其中保存着目前已知最古老的微生物化石,比目前已知可靠的最早后生动物化石(距今6亿年)早了将近30亿年,也是迄今已知最古老的化石记录。

  在地质学上,5.4亿年以前所有地质时期都称为前寒武纪。地球诞生至今已经有大约46亿年的历史,漫长的前寒武纪实在是清冷而寂寞。然而,在目前已知的前寒武纪化石群中,除了埃迪卡拉动物群等极少的几个外,其他化石群中均有叠层石的身影。既不光鲜又不亮丽的叠层石很可能记录了地球前八分之七的历史。哪怕只是很小一块叠层石,也可能记录了几千年甚至几万年间生命繁衍的珍贵信息!因此,毫不夸张地说,叠层石是一扇帮助我们瞭望前寒武纪地球生命与环境演化的重要窗口。

  如今的叠层石多生活在盐湖、泻湖或较封闭的海湾中,开阔海域中已难觅其踪影,世界上仅有少数几个地区发现了活着的叠层石。1956年,人们首次在西澳大利亚的鲨鱼湾发现现代叠层石,随后在巴哈马群岛、印度洋及黄石国家公园等地也有发现。目前,在正常海水环境中生活的叠层石仅发现于巴哈马群岛的埃克苏马湾。

  现代叠层石无论在种类还是丰度上都无法与前寒武纪时期的叠层石相提并论。加拿大不列颠哥伦比亚省的帕维列湖和凯利湖中,生活着目前已知世界上最大的淡水叠层石。美国国家航空航天局曾将这些淡水叠层石纳入研究计划,希望了解什么样的湖泊环境最利于隐藏微生物,从而为寻找地外微生物提供思路。

  叠层石衰退之谜

  在古太古代及中太古代(36亿~28亿年前),地球上虽然已经有叠层石存在,但十分稀少。进入新太古代以后(28亿~25亿年前),叠层石的分布范围有所扩展,种类也逐渐丰富起来。在元古宙(25亿~5.4亿年前)的海洋中,叠层石的分布已经非常广泛。在几乎所有未变质或轻微变质的元古宙灰岩和白云岩中都发现了叠层石,甚至在磷块岩、条带状铁矿、燧石以及极个别砂岩中也有叠层石的踪迹。这个时期的叠层石已经生长得十分巨大,且出现了复杂的分叉形式,其规模足以与此后出现的钙藻及珊瑚虫等形成的珊瑚礁相媲美。在前寒武纪约30亿年的漫长岁月中,底栖微生物群落生活在地球浅海海底,吸收利用沉积物表层附近的化学物质,在太阳光的滋润下安逸地生长。

  然而好景不长,自寒武纪(开始于5.4亿年前)以后,叠层石的丰度和多样性下降到全盛时期的20%。这是因为寒武纪大爆发中涌现出了大量后生动物(除原生动物之外所有其他动物的总称)。化石证据表明,这些后生动物钻孔、掘穴和觅食的活动剧烈扰动着原本安宁寂静的底栖环境,干扰了底栖微生物群落。目前,“后生动物对造叠微生物的破坏”已成为解释叠层石衰弱之谜的最为广泛认可的观点。在10亿~5.4亿年前的新元古代早期,一些安静的潮下带环境中的叠层石开始逐步衰退;到了新元古代中晚期,所有叠层石的多样性和丰度开始剧烈下降。这似乎暗示:新元古代早期,很可能出现了影响叠层石生长的动物,这些动物在新元古代中晚期入侵到潮间带环境,由此引起叠层石的全面衰退。然而,目前已知的可靠的后生动物化石仅仅发现于新元古代晚期的地层中。因此,科学家们仍在孜孜以求,探寻导致叠层石衰退的“罪魁祸首”。

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摘自:大自然 2013年第05期  
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