地球上，生命是如何進(jìn)化為今天的模樣的？從地球產(chǎn)生到今天，幾十億年的時(shí)間，地球上發(fā)生了哪些變遷？那些地球誕生之初出現的生命今天還能找到嗎？這許多的問(wèn)題，都是人類(lèi)一直孜孜不倦在追尋的內容。想要找到這些問(wèn)題的答案并不容易，科學(xué)家們數年如一日的研究，方才窺得一斑。今天我們就走進(jìn)地球上最古老的生物化石——疊層石，透過(guò)這種古老的生物化石，窺一窺地球的秘密。
▲在澳大利亞克利夫頓湖，有活著(zhù)的現代疊層石。攝影/王金成
地球上第一批制造氧氣的微生物制造了疊層石
相信很多人都聽(tīng)過(guò)盤(pán)古開(kāi)天的故事，盤(pán)古從沉睡中醒來(lái)，發(fā)現大地一片混沌，于是用斧頭劈開(kāi)了天地?；煦绲拇蟮?，其實(shí)是地球產(chǎn)生之初的真實(shí)寫(xiě)照。地球大約誕生于46億年前，這之后很久，地球上都沒(méi)有生命跡象，這里到處充滿(mǎn)了氮氣、二氧化碳等氣體，那時(shí)候地球上還沒(méi)有氧氣。
到距今38億—39億年前，在大海里，地球上最古老的生命——古細菌出現了。這些海洋里面的生物幾乎是在無(wú)氧狀態(tài)下成長(cháng)，它們生存并不需要氧氣，氧氣對它們來(lái)說(shuō)甚至是毒氣。直到距今大約35億年前，一種有著(zhù)特殊本領(lǐng)的生物——藍細菌誕生了，它們可以進(jìn)行光合作用，“吃”下二氧化碳，“吐”出氧氣。
▲三十幾億年前的地球，火山活動(dòng)劇烈，大氣中沒(méi)有氧氣，藍細菌剛剛在大海中誕生，它們可以進(jìn)行光合作用，吐出氧氣，并在此過(guò)程中分泌黏液，把水中微小的沉積物顆粒膠結成石。供圖/CHRISTIAN JEGOU PUBLIPHOTO DIFFUSION
藍細菌在進(jìn)行光合作用的過(guò)程中，還會(huì )分泌出一些黏液，把其他一些微生物粘連在一起，也會(huì )把海水中微小的礦物顆粒膠結起來(lái)，從而形成一種獨特的微生物沉積巖——疊層石。疊層石與珊瑚有些類(lèi)似，不過(guò)珊瑚是珊瑚蟲(chóng)建造的，而疊層石是以藍細菌為代表的微生物群構筑的。
疊層石可以說(shuō)是有生命的巖石。那些粘連在一起的微生物，如好氧異養菌、硫酸鹽還原菌、硫氧化菌以及發(fā)酵菌等，慢慢堆疊成厚一些的微生物墊。隨著(zhù)微生物墊不斷發(fā)展，生活在其中的菌類(lèi)互相合作，一種菌的代謝產(chǎn)物為另一種菌提供養料，形成了地球上第一個(gè)生態(tài)系統。
在疊層石上，每平方米大約生活著(zhù)36億個(gè)微生物。它們一層一層緩慢地生長(cháng)著(zhù)，新的不斷覆蓋舊的，越長(cháng)越大，數量也越來(lái)越多。在此后的20億年中，以藍細菌為主的微生物們不斷釋放著(zhù)氧氣，最終使地球大氣中的氧含量增加到21%，為生命史的下一章也是更復雜的一章奠定了基礎。
▲在現代疊層石的彩色掃描電子顯微照片中，可以看出疊層石不是由單一細菌形成，而是由多種微生物協(xié)同共生形成的。供圖/EYE OF SCIENCE
疊層石紋理既是生長(cháng)記錄，也有天文信息
和樹(shù)木的年輪一樣，疊層石也有著(zhù)自己的紋理。任意剖開(kāi)一塊疊層石，就可以看到剖面上層層疊疊的紋理。而且這些紋理，每一層都是“長(cháng)”出來(lái)的，是疊層石的生長(cháng)記錄。
據科學(xué)家研究推測，疊層石上明暗相間的紋理和疊層石上藍細菌生長(cháng)的趨光性有關(guān)。白天陽(yáng)光充足，藍細菌對日照特別敏感，紛紛向光源方向直立生長(cháng)，在生長(cháng)過(guò)程中產(chǎn)生的黏液將周?chē)牡V物顆粒膠結起來(lái)，這樣就形成了疊層石中的亮紋層；夜晚光線(xiàn)弱，藍細菌便由直立轉為密集匍匐分布，并停止了堆積，這就形成了疊層石中的暗紋層。
▲水中的這幾塊疊層石，看上去非常普通，既沒(méi)有絢麗的色彩也沒(méi)有奇異的造型，疙疙瘩瘩的表面、暗淡無(wú)光的色澤甚至讓它們看上去頗為丑陋，但它們中卻隱藏著(zhù)地球生命起源的秘密。攝影/姜爽
這些明暗相間的紋理是藍細菌生長(cháng)的記錄，也是晝夜和季節變化的信息，研究這些紋理，我們可以推測以前的時(shí)間變化?？茖W(xué)家根據對疊層石的研究發(fā)現，在13億年前，地球一年約546—588天、約13—14個(gè)月，而且這些研究數據，與天文觀(guān)測計算出的結果相差無(wú)幾。
此外，專(zhuān)家通過(guò)對10億年前的疊層石的研究還發(fā)現，當時(shí)的地球黃赤交角約為30°，比現在的23°27′明顯要大，也就是說(shuō)，當時(shí)地球的傾斜角度更大。結合其他結論，科學(xué)家認為由于月球逐漸遠離地球以及潮汐作用對能量的消耗，地球的自轉速度和月球繞地球的公轉速度都在不斷減慢，地球的黃赤交角因此不斷減小，越來(lái)越“正”了。
除了以上的作用，疊層石還可以“制造”鐵礦。今天在一些疊層石的表面能看到很多發(fā)紅的地方，那些都是因為含有鐵元素的關(guān)系。在藍細菌繁盛的年代，海洋中存在過(guò)大量鐵元素，藍細菌通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣，鐵元素被氧化后沉積在海底。后來(lái)，又經(jīng)過(guò)漫長(cháng)的地質(zhì)作用便形成了鐵礦。
▲疊層石在風(fēng)化侵蝕下大多呈現出扁平的形狀，一些藻類(lèi)附著(zhù)在上面，為它們涂上了一抹抹斑斕的色彩。攝影/Yann Arthus Bertrand
此前，人們從未想過(guò)還有活著(zhù)的疊層石
疊層石的形成年代十分久遠。地質(zhì)學(xué)家在澳大利亞、北美和南非三個(gè)不同大陸的11個(gè)地點(diǎn)均發(fā)現了疊層石的身影，其年齡在25億年以上。此外，在美國、西班牙、澳大利亞等地寒武紀地層中也有發(fā)現。目前，世界上最古老的疊層石化石是2016年，于格陵蘭島西南部伊蘇阿變質(zhì)巖中發(fā)現的，約形成于37億年前。
年代久遠的疊層石是非常稀少的。據專(zhuān)家研究，在36億—28億年前（古太古代及中太古代），疊層石還是非常稀少的。到28億—25億年前（新太古代以后），疊層石的分布范圍和種類(lèi)漸漸豐富起來(lái)。到約12.5億年前，疊層石的繁盛達到了頂峰，這一時(shí)期的疊層石，在全球七大洲各地幾乎都曾被發(fā)現。之后，寒武紀迎來(lái)了生命大爆發(fā)，疊層石的數量開(kāi)始急劇減少。
科學(xué)家們猜測，疊層石減少的原因可能是寒武紀生命大爆發(fā)后，后生動(dòng)物（除原生動(dòng)物之外所有動(dòng)物的總稱(chēng)）捕食藍細菌，藍細菌的生存競爭增加，使其數量減少，疊層石隨之減少；另一種可能是，海洋環(huán)境的變化，如碳酸鹽濃度的降低也可能導致了疊層石建造的緩慢。
▲在巴哈馬小達比島的水中，疊層石正緩慢的生長(cháng)著(zhù)。供圖/《中國國家地理》中文繁體版2020年07期
值得驚喜的是，1956年，科學(xué)家們在澳大利亞的沙克灣哈默林池發(fā)現了活著(zhù)的現代疊層石！此后，人們又在巴哈馬小達比島、新西蘭煎鍋湖、巴西lagoa Vermelha瀉湖、美國黃石公園等地相繼發(fā)現新的現代疊層石。
在哈默林池的疊層石被發(fā)現之前，人們從未想過(guò)還有活著(zhù)的疊層石，而且這些疊層石還在繼續生長(cháng)。在哈默林池，連綿成片的疊層石沿著(zhù)海岸鋪陳開(kāi)來(lái)，高矮不一，從幾厘米到幾米不等。據研究發(fā)現，這里的疊層石，以每年0.4毫米的速度生長(cháng)，有一部分年齡在1000—1250歲之間。
沙克灣的疊層石之所以能夠延續至今，要歸功于這片海域的特殊環(huán)境。沙克灣位于澳大利亞最西端，靠近熱帶，高溫帶來(lái)的高蒸發(fā)，再加上半封閉的海灣地形，使得這片海域的鹽度大大升高，以至于讓大多數的海洋微生物避之不及，于是這片海域成了以藍細菌為主導的微生物群的天堂。它們閑適地在此繁衍、生長(cháng)，繼續吐出氧氣，繼續建造著(zhù)疊層石。
▲澳大利亞哈默林池分布著(zhù)大面積活的疊層石，科學(xué)家們將這里視為研究現代疊層石的勝地。攝影/楊軒昊
在我國，想近距離觀(guān)察疊層石可以去這些地方
天津薊縣，疊層石的寶庫
大約19億到8億年前這段時(shí)期，今天的天津地區還被海水所覆蓋。此后的7億多年里，海水在這里來(lái)來(lái)去去，屢次進(jìn)退。到了約1億年前，經(jīng)歷“燕山運動(dòng)”后，薊縣地區（現為天津市薊州區）的地殼不斷隆起，形成了今天我們看到的低山丘陵。億萬(wàn)年過(guò)去了，天津海陸變遷和地質(zhì)演化的痕跡在薊縣完整地保留了下來(lái)。
薊縣地層中完整地呈現了中上元古界時(shí)期的地層面貌，而且這里的地層剖面中幾乎各個(gè)時(shí)期都有疊層石被發(fā)現，數量達數十種，年代為距今14億至12億年前。這里的疊層石非常壯觀(guān)，甚至整座山都是疊層石。在這些疊層石中，發(fā)現了至少有16個(gè)屬、28個(gè)種的微生物群，其數量之多，打破了寒武紀之前缺少生命的猜測。
▲在天津，疊層石的美被民間藝人發(fā)掘出來(lái)，甚至還建造了以疊層石工藝為主題的奇石館。攝影/張薄開(kāi)
在薊縣，與其珍貴程度相反，這些紋理清晰、千姿百態(tài)的疊層石就那么隨意地裸露在大地之上，有的為錐形、有的呈柱狀、有的像一面石壁或一堵城墻，還有些形成了一個(gè)個(gè)球形的凸起。實(shí)在難以想象，這些石頭是微生物們歷經(jīng)數億年之功，才塑造出來(lái)的。
由于疊層石產(chǎn)出豐富，天津薊縣被稱(chēng)為疊層石寶庫。在國內外博物館、地質(zhì)院校里看到的疊層石標本，多是來(lái)自天津薊縣。在天津自然博物館的大門(mén)口，矗立著(zhù)一塊重達19.8噸的疊層石，距今約10.5億年，其產(chǎn)地就是薊縣。在薊縣，還建立了天津薊縣國家地質(zhì)公園，園內保存著(zhù)大量的、極其珍貴的地質(zhì)遺跡和地質(zhì)景觀(guān)，如果想進(jìn)距離接觸疊層石，可以去園內尋找一下。
▲圖為天津薊縣的疊層石，距今約13億—16億年。攝影/吳軍江
重慶酉陽(yáng)，疊層石規?？胺Q(chēng)中國南方之最
在重慶酉陽(yáng)后坪鄉和板溪鎮，于2016年10月和2017年2月分別發(fā)現了大面積的疊層石。據專(zhuān)家研究發(fā)現，酉陽(yáng)的疊層石形成時(shí)間是在距今約5億年的寒武紀。這里的疊層石分布很廣，從北至南綿延上百公里，范圍達幾百平方千米，到處都可以看到疊層石的身影，還有一些形成了非常美麗的圖案，恰如石頭當中盛開(kāi)的花朵，被譽(yù)為“石花”。這些如石林般成片出現的疊層石，規模之大，堪稱(chēng)中國南方之最。當地政府根據疊層石的分布，還在酉陽(yáng)板溪鎮打造了“疊石花谷”景區，供人們近距離觀(guān)賞這些5億年前形成的“石花”。
▲在重慶酉陽(yáng)，疊層石的規模，是以成片的石林形式出現的，堪稱(chēng)中國南方之最。供圖/重慶市地質(zhì)災害防治工程
山西五臺山，“地球早期地質(zhì)歷史博物館”
五臺山地處華北大陸的腹地，這里的地層很齊全，完整保存了上萬(wàn)米厚的古元古代 （25—19億年前）滹沱群沉積地層，完美記錄了這一階段地球的演變歷史，堪稱(chēng)“地球早期地質(zhì)歷史博物館”。2008年，地質(zhì)專(zhuān)家李江海在五臺山考察時(shí)，發(fā)現了一塊有23億年歷史的疊層石，這塊疊層石直徑約450厘米，高度500厘米，球體形態(tài)精美完整，表面紋理清晰，是國內已知規模最大的疊層石。在五臺山的地層中疊層石相當豐富，而且在一些裸露的巖石上，也有大片鑲嵌在崖壁表面，如果想近距離觀(guān)察疊層石，可以去五臺山的山間尋找，相信會(huì )有很多收獲。
▲圖為山西地質(zhì)博物館中的疊層石標本，上面那些明暗相間的花紋，既是疊層石生長(cháng)的記錄，也蘊含著(zhù)地球自轉與公轉的信息。供圖/山西地質(zhì)博物館
北京西山，中國地質(zhì)事業(yè)的搖籃
北京西山是對北京西部山區的統稱(chēng)，屬太行山的余脈，包括了北京門(mén)頭溝全境和房山、石景山、海淀、昌平等區的部分山地。這里有著(zhù)豐富的地質(zhì)現象，可以說(shuō)是中國地質(zhì)事業(yè)的搖籃，從19世紀中期開(kāi)始，地質(zhì)學(xué)家們就開(kāi)始了對北京西山的地質(zhì)考察。在北京西山各地的地層中，幾乎都有疊層石的身影，如地處北京西山并與八達嶺長(cháng)城、十三陵毗鄰，我國北方著(zhù)名寒武紀地層剖面——南口剖面，其地層中有十分豐富的疊層石分布。在北京，如果想找到疊層石，可以去門(mén)頭溝、永定河谷、昌平南口等地。
▲房山世界地質(zhì)公園白石山園區中的波狀疊層石。供圖/中國房山世界地質(zhì)公園管理處
參考資料·姜爽.疊層石 既是最古老的化石 又是最活躍的生命[J].《中國國家地理》中文繁體版.2020(07)
·上官千尋.津北有奇——10億年地層上的“萬(wàn)卷史書(shū)”[J].《中國國家地理》中文繁體版.2019(02)
·匡學(xué)文，張云霞，孫博陽(yáng)編著(zhù). 博物館里的中國 破譯化石密碼[M]. 2015
·曹瑞驥,袁訓來(lái).尋覓記錄在疊層石中的天文學(xué)信息[J].飛碟探索.2018-11-15
·梅冥相,孟慶芬.現代疊層石的多樣化構成:認識古代疊層石形成的關(guān)鍵和窗口[J].古地理學(xué)報.2016-04-01
·溫志峰,鐘建華,李勇,郭澤清,高劍波.疊層石成因和形成條件的研究綜述[J].高校地質(zhì)學(xué)報.2004-09-30
·余裕.疊層石：大地的史書(shū).重慶科技報.2020年04月30日
https://www.cqrb.cn/html/kjb/2020-04/30/10/content_259646.htm
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