一年竟有424天

文｜Redlichia

大多數時候，人們總會希望時間過得慢一些，一年如果能多出幾個月那就再好不過了。早在5億多年前的寒武紀（距今5.42億～4.85億年前）時期，一年的天數可能更合今天人們的心意——竟有424天，相比現在多出了2個月的時間，而相對應的，每天的時長也有縮短。這一驚人的結論是從哪里得來的呢？古生物學的觀察將為我們解答。

這些觀察基于一種重要的認識，即生物的生長習性。生長習性是指生物長期與環境相互作用形成的生態習性和生活習性。前者是生物的固有屬性，后者則來自生物的生存環境。所以，生物習性的變化很大程度上可以反映環境的演化，當這一方法被運用于古生物研究，就發揮出了巨大的作用。

地質歷史時期

地質時期指地球歷史中有地層記錄的一段漫長的時期。由于目前已發現的地球上最老的地層同位素年齡值約為46億年，因此一般以46億年為界將地球歷史分為兩大階段：46億年以前階段，稱為“天文時期”或“前地質時期”；46億年以后階段，稱為“地質時期”。在各地質時期，與地球相關的宇宙空間、太陽系，以及地球上發生的大事件，會在地球的地殼運動、巖石、構造、古生物、地磁、古氣候等多方面留下記錄。不同地質時期的地質作用不同，形成的特征也不同。地質歷史時期，則主要指現代以前（第四紀全新世以前，即人類繁榮以前）地球上的各個地質時期。

生物的生長離不開生活環境的制約，地球的自轉、公轉、氣候變化、四季交替等都會對生物產生周期性的影響。樹有輪，竹有節，不同生物的習性可以記錄復雜的環境變化，很多古老生物體上都有類似樹輪的痕跡，清晰地記錄著地質歷史時期滄海桑田的變遷。早在1933年，我國古生物學家馬廷英就注意到，珊瑚的生長線能反映海水水溫的季節性變化，而遠離赤道的珊瑚在結構上反映季節變化的特征則更明顯，這成為利用古生物學研究環境演化的先驅性發現。對化石中時間記錄的研究，在20世紀70年代由中國科學院尹贊勛院士定義為“古生物鐘”，用以探討古生物對地球環境的記錄，這一名稱也得到了學術界的一致認可。

那么，人們是如何認識古生物鐘，又是如何通過古生物鐘破解地球演化的驚天大案的呢？

神奇的古生物鐘

植物會開花結果，動物有冬眠蘇醒，自然界的生物總是如同完成自己的使命一般，按部就班地進行著生物活動，仿佛每個生物心中都有一個永動的鐘表，隨時提醒到了什么季節該完成什么工作。當這些生長活動反映在生物身上，就可能留下周期性的痕跡，如同樹木的年輪，這樣的痕跡就是“生物鐘”。

從樹木年輪看氣候變化

古生物化石上也同樣有生物生長周期的痕跡，這些生長痕跡隨著生物體被石化，完整地保留了下來，成為“古生物鐘”，能夠為我們解讀地質歷史時期環境的演化提供重要依據。

如珊瑚化石。珊瑚早在奧陶紀（距今4.8億～4.4億年前）就出現并快速發展壯大，其化石通常保存完整，且如同現代珊瑚一樣，古珊瑚對海水環境要求苛刻，生長極易受到環境變化的影響，其生長紋層極具周期性規律，有與樹輪相似的特征，能反映季節的變化，被稱為“海上樹輪”。因此，常有人用珊瑚化石的發育情況來進行古氣候帶的恢復研究。而更神奇的是，對珊瑚化石的研究甚至解決了連物理學家都沒能說明白的地球自轉問題。

地球自轉之謎

我們都知道，地球每繞太陽公轉一周，便經歷了365個晝夜，準確來說，公轉一周的一個恒星年是365日6時9分10秒。自人類記錄時間以來，每年如此，未曾有變。但是，隨著科學研究的不斷深入，從18世紀開始，地球物理學家和天文史學家逐漸發現了問題。

通過長期對月球繞地球公轉的觀察發現，月球公轉的速度越來越快，有一個緩慢的加速度。最初人們認為，這種引起緩慢加速的原因有兩種：一是因為月球自身加速，二是因為地球自轉變慢。法國數學家、物理學家拉普拉斯認為，月球的加速是因為太陽對月球公轉軌道偏心率的作用，使得月球在黃經上有個加速度，產生了長周期的攝動；也有人認為地球自轉的減慢是因為長期的太陽潮汐摩擦所致。一時間眾說紛紜，沒有定論。

這一爭論一直持續到20世紀。通過300多年對日長的精確記錄和分析，人們發現，每過100年，一天就會增加1.6毫秒。照這個增長速度反推到12億年前，一天僅有18.8個小時。這也說明了地球自轉的速度正在逐漸變慢。

珊瑚記錄的秘密

當天文學家和地球物理學家面對這一問題苦于無法證明之時，古生物學家拿著珊瑚化石站了出來，打破了這一困境。

1963年，美國康奈爾大學的威爾斯教授發表了一篇重要的文章，指出現代珊瑚一年生長了大約360圈很細的生長線，這實際上可能代表了現代珊瑚以天為單位的生長周期。威爾斯又研究了產于泥盆紀（距今4.05億～3.5億年前）和石炭紀（距今3.55億～2.95億年前）保存良好的珊瑚化石，發現石炭紀珊瑚每年的生長線為385～390圈，泥盆紀珊瑚每年則有385～410圈生長線。這與用天文學方法求得的各地質時期每年的天數大體相等。

據計算，寒武紀時期一晝夜為20.8小時，泥盆紀時期為21.6小時，石炭紀時期為21.8小時，三疊紀（距今2.5億～2億年前）時期為22.4小時，白堊紀（距今1.45億～0.66億年前）時期為23.5小時，現在的一晝夜則是24小時。如果我們知道了不同地質歷史時期每年天數的變化，就可利用觀察古生物化石的生長線來確定其地質時代。這篇文章同時也證明了地球自轉逐漸變慢、日長增加的事實，受到天文學、地球物理學、地質學等多學科學者的一致好評。

隨后，英國自然歷史博物館的斯克魯頓在1965年又討論了珊瑚化石上生長脊的意義。一個朔望月即一個月的周期，代表一次潮汐變化，反映于海水環境，作用于珊瑚的生長結構。每個朔望月，珊瑚都會生長出一條溝間帶，每經歷一個春秋便會生長出一條脊。斯克魯頓在一塊保存較好的中泥盆世珊瑚標本中，發現2條隆起的脊之間正好有13條溝間帶，也就說明了一年有13個月，正好與天文學計算所得相吻合——中泥盆世每年有13.04個月，共399天。

保存完好且生長線清晰的珊瑚化石

地質歷史時期與一年天數對照圖。威爾斯通過古生物估算結合同位素定年做出本圖所示結果，正好與天文學推算出的地質歷史時期中每年的天數演化完全相符

除了珊瑚，很多其他古生物化石也存在明顯的生長紋路。

例如雙殼類動物，其殼飾上有明顯的生長紋。來自美國華盛頓大學輻射生物學實驗室的伯納姆(1965年)在研究太平洋比基尼島附近的大硨磲時，在殼體的橫截面影像圖上發現有2處生長層，是在20世紀50年代2次核爆炸的放射性條件下長出的。在隨后的研究中，又通過刻槽法標記發現了雙殼類動物的生長節律。但可惜的是，其雙殼在閉合的時候會阻礙殼的生長，所以無法通過雙殼的生長紋來準確判斷過去時長的變化。

頭足類生物具有更為明顯的生物紋路。鸚鵡螺就是典型的頭足類生物，其從4億年前的奧陶紀就已經存在，到現代印度洋—西太平洋的珊瑚礁水域中仍有存活個體，所以能較好地與過去的樣品對比。現代鸚鵡螺殼內，每兩片膈膜之間的生長線數量基本一致，平均有30條，與太陰月(29.53日)基本吻合。而與奧陶紀以來的鸚鵡螺殼內生長線數目進行對比后，也發現每月的生長線數量呈不穩定遞減趨勢，這同樣說明了地球自轉速度在減慢。另外，菊石、角石、箭石等滅絕的頭足類動物也發育有較好的生長紋。通過對古生物鐘和生長紋的研究，還能夠總結出奧陶紀以來地月參數的變化，得出月球正在遠離地球的結論。

但是，最新的研究認為，鸚鵡螺的紋層并不能反映環境周期性的變化。通過現代實驗室條件下對鸚鵡螺的培養發現，鸚鵡螺的每個氣室并不是相同時間生長出來的，隨著氣室的增多，所需要的生長時間也會變長。比如，在生長初期，鸚鵡螺形成一個腔室大約只需2星期，而最后幾個腔室的形成則均需要耗時6個月。而鸚鵡螺殼上的條狀螺紋，也僅是裝飾作用，與其自身的周期性變化無關。所以，在判斷每年的天數上，頭足類生物的生長紋路并沒有帶來太大用處。

鸚鵡螺殼切面

菊石化石切面

鸚鵡螺

疊層石延續傳奇

雖然許多生物的生長紋路在研究天數上并沒有多少積極作用，但人們對古生物鐘的研究并未停滯，中國古生物學家隨后在這一領域起到了關鍵作用。

在元古宙（距今25億～6億年或5.7億年前）廣泛分布的疊層石是極有力的研究工具，在中國北方前寒武紀時期留下的碳酸鹽巖地層中，經?？梢钥吹骄哂袑訝顦嬙斓膸r石，那便是原始藻類不斷膠結、沉降形成的有紋層的一類化石。一層層規律生長的疊層石宛如書畫一樣記錄著數十億年前的前寒武紀時期的環境變化。直至今日，在澳大利亞鯊魚灣等地還有持續生長的疊層石，這些藻類生物早在38億年前就已出現。1972年，美國耶魯大學地質和地球物理學系的潘內拉最早肯定了疊層石的古生物鐘作用。疊層石紋路復雜，很難區分哪些是每天或每月的變化層，但潘內拉通過對比現生藻類的生長規律，發現了疊層石的生長是有日節律的。這樣一來，根據疊層石的日生長紋就能夠判斷遠古時期的日平均長度了。潘內拉通過細致觀察，將疊層石的生長紋分為了5級。

澳大利亞鯊魚灣疊層石

隨后，中科院南京地質古生物研究所研究員曹瑞驥于1991年在天津薊縣霧迷山組發現了一種藻席與疊層石交替生長的生物礁，這里的疊層石指示日、月、季的3級周期。研究人員首次推算出，12億年前地球每月的天數為40～49天。據此，通過對山西五臺地區的沉積巖研究推論，五臺山滹沱群沉積時期平均每年有460多天；對北京周口店地區鐵嶺組疊層石的研究和對天津薊縣霧迷山組疊層石紋層的碳、氧同位素值測定得知，10億年前的地球每年至少有516±20天、12.9±0.5個月，每個月有

40多天，每天只有16.99±0.66個小時。由于疊層石年代古老，使得對每年日長的判斷延伸到了前寒武紀時期，極大地推進了古生物鐘研究的發展。

疊層石生長紋分級

疊層石良好的生長紋

還有很多類似的古生物鐘值得去探討，不過受限于樣品數量，以及樣品年齡，已不適于研究地質歷史時期每年天數的變化，但依然具有很重要的古環境意義。例如，生物牙齒的橫切面、鯊魚的脊椎骨切面、龜鱉的甲殼生長紋、帶角生物的角的切面、腕足生物的殼飾等等，都可以看到一層層生長的痕跡。這些生物鐘在記錄生命歷程的同時，也見證了地球環境的變化?；蛟S單個生命反映的這些變化是微小的，或許沒有規律可言，但是累積的記錄，從量變到質變，我們可以清楚地看到從前寒武紀有生命以來，地球想告訴我們的一切。

一些猜想

對于古生物鐘是否能記錄地質環境的變化，尚有一些爭論。

有人堅持“內生論”，指某些生物體因遺傳而天生具有像時鐘一樣的循環性周期，不受外界的影響；而“外生論”則認為，生物之所以能夠像上好了弦的鐘表，主要是因為受到外來節律的刺激，環境中的溫度、水分、地球自轉等都是刺激的來源。盡管大量的事實和統計學數據都支持“外生論”這一方，但古生物鐘的科學成因目前仍是一個未解的謎題。

基于對地球自轉速度變化的推導，我們不難得出地球自轉越來越慢的事實，但如果將時間再往前推，試著討論12億年前地球的特征，會發現一件可怕的事情——

由于每年天數的變化與地質時間有著良好的線性關系，所以在地球形成初期，地球的自轉速度可能是非常非?？斓模踔烈惶炜赡苤挥?個小時，一年將會有2190天！

不同生物的生長紋告訴我們，在記錄個體生命歷程的同時，它們也見證了地球環境的變化

另一件可怕的事情是，如果我們把推算的時間向未來延伸，會發現，地球終有一天會進入暮年，不再能自由地自轉，而是變成一個僅隨太陽公轉且被太陽潮汐鎖定的星球。停止了自轉的地球，將有一面永遠是被寒冷冰封的極地，另一面則籠罩著無盡的炎熱和干旱。那時候，一天可能有100多個小時，生物的作息也會發生劇變，每個人的工作時間將被無情地延長好幾倍(當然那時如果還有人類的話，可能已經在太空中找到了新的棲息地)。當然，這一切都是假設，基于很多先決條件。比如，我們常常會認為地球公轉的時長是確定的，太陽的性質是始終不變的等等，這就會引起一些估算上的誤差。實際上，46億年是個極其漫長的過程，這其中眾多的變數是目前很難猜想的。

后鈣鈦礦

鈣鈦礦是一類陶瓷氧化物，因最早被發現于鈣鈦礦石中而得名。鈣鈦礦可用于提煉鈦、鈮和稀土元素，且由于其結構特殊，因此在高溫催化及光催化方面有應用前景，可用來制作太陽能電池的替代材料。鈣鈦礦最隨深度加深，分為鈣鈦礦和后鈣鈦礦——鈣鈦礦會在距地表2600千米深、大約120吉帕的高壓下發生相變，轉變成后鈣鈦礦。

究其原因，地球的自轉為什么會越來越慢呢？這件事始終沒有定論，很多人認為，可能是由于太陽潮汐長時間對地球的摩擦力，使得地球不斷減速；也有人認為是由于地球自身能量的消耗，讓地球正在老去；還有人認為，由于地幔最深處后鈣鈦礦的導電性差異，導致地球的自轉速度存在周期性變化，即每10年會增加或者減少0.003～0.004秒。

但這些探討終歸沒有定論。對于地球，甚至只是自然界，人類還有很多未知沒能解決，還需要更多地球科學家不斷努力，前赴后繼地去揭開更多這顆藍色星球的秘密。