地球上，生命是如何进化为今天的模样的？从地球产生到今天，几十亿年的时间，地球上发生了哪些变迁？那些地球诞生之初出现的生命今天还能找到吗？这许多的问题，都是人类一直孜孜不倦在追寻的内容。想要找到这些问题的答案并不容易，科学家们数年如一日的研究，方才窥得一斑。今天我们就走进地球上最古老的生物化石——叠层石，透过这种古老的生物化石，窥一窥地球的秘密。
▲在澳大利亚克利夫顿湖，有活着的现代叠层石。摄影/王金成
地球上第一批制造氧气的微生物制造了叠层石
相信很多人都听过盘古开天的故事，盘古从沉睡中醒来，发现大地一片混沌，于是用斧头劈开了天地。混沌的大地，其实是地球产生之初的真实写照。地球大约诞生于46亿年前，这之后很久，地球上都没有生命迹象，这里到处充满了氮气、二氧化碳等气体，那时候地球上还没有氧气。
到距今38亿—39亿年前，在大海里，地球上最古老的生命——古细菌出现了。这些海洋里面的生物几乎是在无氧状态下成长，它们生存并不需要氧气，氧气对它们来说甚至是毒气。直到距今大约35亿年前，一种有着特殊本领的生物——蓝细菌诞生了，它们可以进行光合作用，“吃”下二氧化碳，“吐”出氧气。
▲三十几亿年前的地球，火山活动剧烈，大气中没有氧气，蓝细菌刚刚在大海中诞生，它们可以进行光合作用，吐出氧气，并在此过程中分泌黏液，把水中微小的沉积物颗粒胶结成石。供图/CHRISTIAN JEGOU PUBLIPHOTO DIFFUSION
蓝细菌在进行光合作用的过程中，还会分泌出一些黏液，把其他一些微生物粘连在一起，也会把海水中微小的矿物颗粒胶结起来，从而形成一种独特的微生物沉积岩——叠层石。叠层石与珊瑚有些类似，不过珊瑚是珊瑚虫建造的，而叠层石是以蓝细菌为代表的微生物群构筑的。
叠层石可以说是有生命的岩石。那些粘连在一起的微生物，如好氧异养菌、硫酸盐还原菌、硫氧化菌以及发酵菌等，慢慢堆叠成厚一些的微生物垫。随着微生物垫不断发展，生活在其中的菌类互相合作，一种菌的代谢产物为另一种菌提供养料，形成了地球上第一个生态系统。
在叠层石上，每平方米大约生活着36亿个微生物。它们一层一层缓慢地生长着，新的不断覆盖旧的，越长越大，数量也越来越多。在此后的20亿年中，以蓝细菌为主的微生物们不断释放着氧气，最终使地球大气中的氧含量增加到21%，为生命史的下一章也是更复杂的一章奠定了基础。
▲在现代叠层石的彩色扫描电子显微照片中，可以看出叠层石不是由单一细菌形成，而是由多种微生物协同共生形成的。供图/EYE OF SCIENCE
叠层石纹理既是生长记录，也有天文信息
和树木的年轮一样，叠层石也有着自己的纹理。任意剖开一块叠层石，就可以看到剖面上层层叠叠的纹理。而且这些纹理，每一层都是“长”出来的，是叠层石的生长记录。
据科学家研究推测，叠层石上明暗相间的纹理和叠层石上蓝细菌生长的趋光性有关。白天阳光充足，蓝细菌对日照特别敏感，纷纷向光源方向直立生长，在生长过程中产生的黏液将周围的矿物颗粒胶结起来，这样就形成了叠层石中的亮纹层；夜晚光线弱，蓝细菌便由直立转为密集匍匐分布，并停止了堆积，这就形成了叠层石中的暗纹层。
▲水中的这几块叠层石，看上去非常普通，既没有绚丽的色彩也没有奇异的造型，疙疙瘩瘩的表面、暗淡无光的色泽甚至让它们看上去颇为丑陋，但它们中却隐藏着地球生命起源的秘密。摄影/姜爽
这些明暗相间的纹理是蓝细菌生长的记录，也是昼夜和季节变化的信息，研究这些纹理，我们可以推测以前的时间变化。科学家根据对叠层石的研究发现，在13亿年前，地球一年约546—588天、约13—14个月，而且这些研究数据，与天文观测计算出的结果相差无几。
此外，专家通过对10亿年前的叠层石的研究还发现，当时的地球黄赤交角约为30°，比现在的23°27′明显要大，也就是说，当时地球的倾斜角度更大。结合其他结论，科学家认为由于月球逐渐远离地球以及潮汐作用对能量的消耗，地球的自转速度和月球绕地球的公转速度都在不断减慢，地球的黄赤交角因此不断减小，越来越“正”了。
除了以上的作用，叠层石还可以“制造”铁矿。今天在一些叠层石的表面能看到很多发红的地方，那些都是因为含有铁元素的关系。在蓝细菌繁盛的年代，海洋中存在过大量铁元素，蓝细菌通过光合作用产生氧气，铁元素被氧化后沉积在海底。后来，又经过漫长的地质作用便形成了铁矿。
▲叠层石在风化侵蚀下大多呈现出扁平的形状，一些藻类附着在上面，为它们涂上了一抹抹斑斓的色彩。摄影/Yann Arthus Bertrand
此前，人们从未想过还有活着的叠层石
叠层石的形成年代十分久远。地质学家在澳大利亚、北美和南非三个不同大陆的11个地点均发现了叠层石的身影，其年龄在25亿年以上。此外，在美国、西班牙、澳大利亚等地寒武纪地层中也有发现。目前，世界上最古老的叠层石化石是2016年，于格陵兰岛西南部伊苏阿变质岩中发现的，约形成于37亿年前。
年代久远的叠层石是非常稀少的。据专家研究，在36亿—28亿年前（古太古代及中太古代），叠层石还是非常稀少的。到28亿—25亿年前（新太古代以后），叠层石的分布范围和种类渐渐丰富起来。到约12.5亿年前，叠层石的繁盛达到了顶峰，这一时期的叠层石，在全球七大洲各地几乎都曾被发现。之后，寒武纪迎来了生命大爆发，叠层石的数量开始急剧减少。
科学家们猜测，叠层石减少的原因可能是寒武纪生命大爆发后，后生动物（除原生动物之外所有动物的总称）捕食蓝细菌，蓝细菌的生存竞争增加，使其数量减少，叠层石随之减少；另一种可能是，海洋环境的变化，如碳酸盐浓度的降低也可能导致了叠层石建造的缓慢。
▲在巴哈马小达比岛的水中，叠层石正缓慢的生长着。供图/《中国国家地理》中文繁体版2020年07期
值得惊喜的是，1956年，科学家们在澳大利亚的沙克湾哈默林池发现了活着的现代叠层石！此后，人们又在巴哈马小达比岛、新西兰煎锅湖、巴西lagoa Vermelha泻湖、美国黄石公园等地相继发现新的现代叠层石。
在哈默林池的叠层石被发现之前，人们从未想过还有活着的叠层石，而且这些叠层石还在继续生长。在哈默林池，连绵成片的叠层石沿着海岸铺陈开来，高矮不一，从几厘米到几米不等。据研究发现，这里的叠层石，以每年0.4毫米的速度生长，有一部分年龄在1000—1250岁之间。
沙克湾的叠层石之所以能够延续至今，要归功于这片海域的特殊环境。沙克湾位于澳大利亚最西端，靠近热带，高温带来的高蒸发，再加上半封闭的海湾地形，使得这片海域的盐度大大升高，以至于让大多数的海洋微生物避之不及，于是这片海域成了以蓝细菌为主导的微生物群的天堂。它们闲适地在此繁衍、生长，继续吐出氧气，继续建造着叠层石。
▲澳大利亚哈默林池分布着大面积活的叠层石，科学家们将这里视为研究现代叠层石的胜地。摄影/杨轩昊
在我国，想近距离观察叠层石可以去这些地方
大约19亿到8亿年前这段时期，今天的天津地区还被海水所覆盖。此后的7亿多年里，海水在这里来来去去，屡次进退。到了约1亿年前，经历“燕山运动”后，蓟县地区（现为天津市蓟州区）的地壳不断隆起，形成了今天我们看到的低山丘陵。亿万年过去了，天津海陆变迁和地质演化的痕迹在蓟县完整地保留了下来。
蓟县地层中完整地呈现了中上元古界时期的地层面貌，而且这里的地层剖面中几乎各个时期都有叠层石被发现，数量达数十种，年代为距今14亿至12亿年前。这里的叠层石非常壮观，甚至整座山都是叠层石。在这些叠层石中，发现了至少有16个属、28个种的微生物群，其数量之多，打破了寒武纪之前缺少生命的猜测。
▲在天津，叠层石的美被民间艺人发掘出来，甚至还建造了以叠层石工艺为主题的奇石馆。摄影/张薄开
在蓟县，与其珍贵程度相反，这些纹理清晰、千姿百态的叠层石就那么随意地裸露在大地之上，有的为锥形、有的呈柱状、有的像一面石壁或一堵城墙，还有些形成了一个个球形的凸起。实在难以想象，这些石头是微生物们历经数亿年之功，才塑造出来的。
由于叠层石产出丰富，天津蓟县被称为叠层石宝库。在国内外博物馆、地质院校里看到的叠层石标本，多是来自天津蓟县。在天津自然博物馆的大门口，矗立着一块重达19.8吨的叠层石，距今约10.5亿年，其产地就是蓟县。在蓟县，还建立了天津蓟县国家地质公园，园内保存着大量的、极其珍贵的地质遗迹和地质景观，如果想进距离接触叠层石，可以去园内寻找一下。
▲图为天津蓟县的叠层石，距今约13亿—16亿年。摄影/吴军江
重庆酉阳，叠层石规模堪称中国南方之最
在重庆酉阳后坪乡和板溪镇，于2016年10月和2017年2月分别发现了大面积的叠层石。据专家研究发现，酉阳的叠层石形成时间是在距今约5亿年的寒武纪。这里的叠层石分布很广，从北至南绵延上百公里，范围达几百平方千米，到处都可以看到叠层石的身影，还有一些形成了非常美丽的图案，恰如石头当中盛开的花朵，被誉为“石花”。这些如石林般成片出现的叠层石，规模之大，堪称中国南方之最。当地政府根据叠层石的分布，还在酉阳板溪镇打造了“叠石花谷”景区，供人们近距离观赏这些5亿年前形成的“石花”。
▲在重庆酉阳，叠层石的规模，是以成片的石林形式出现的，堪称中国南方之最。供图/重庆市地质灾害防治工程
山西五台山，“地球早期地质历史博物馆”
五台山地处华北大陆的腹地，这里的地层很齐全，完整保存了上万米厚的古元古代 （25—19亿年前）滹沱群沉积地层，完美记录了这一阶段地球的演变历史，堪称“地球早期地质历史博物馆”。2008年，地质专家李江海在五台山考察时，发现了一块有23亿年历史的叠层石，这块叠层石直径约450厘米，高度500厘米，球体形态精美完整，表面纹理清晰，是国内已知规模最大的叠层石。在五台山的地层中叠层石相当丰富，而且在一些裸露的岩石上，也有大片镶嵌在崖壁表面，如果想近距离观察叠层石，可以去五台山的山间寻找，相信会有很多收获。
▲图为山西地质博物馆中的叠层石标本，上面那些明暗相间的花纹，既是叠层石生长的记录，也蕴含着地球自转与公转的信息。供图/山西地质博物馆
北京西山，中国地质事业的摇篮
北京西山是对北京西部山区的统称，属太行山的余脉，包括了北京门头沟全境和房山、石景山、海淀、昌平等区的部分山地。这里有着丰富的地质现象，可以说是中国地质事业的摇篮，从19世纪中期开始，地质学家们就开始了对北京西山的地质考察。在北京西山各地的地层中，几乎都有叠层石的身影，如地处北京西山并与八达岭长城、十三陵毗邻，我国北方著名寒武纪地层剖面——南口剖面，其地层中有十分丰富的叠层石分布。在北京，如果想找到叠层石，可以去门头沟、永定河谷、昌平南口等地。
▲房山世界地质公园白石山园区中的波状叠层石。供图/中国房山世界地质公园管理处
参考资料
·姜爽.叠层石 既是最古老的化石 又是最活跃的生命[J].《中国国家地理》中文繁体版.2020(07)
·上官千寻.津北有奇——10亿年地层上的“万卷史书”[J].《中国国家地理》中文繁体版.2019(02)
·匡学文，张云霞，孙博阳编著. 博物馆里的中国 破译化石密码[M]. 2015
·曹瑞骥,袁训来.寻觅记录在叠层石中的天文学信息[J].飞碟探索.2018-11-15
·梅冥相,孟庆芬.现代叠层石的多样化构成:认识古代叠层石形成的关键和窗口[J].古地理学报.2016-04-01
·温志峰,钟建华,李勇,郭泽清,高剑波.叠层石成因和形成条件的研究综述[J].高校地质学报.2004-09-30
·余裕.叠层石：大地的史书.重庆科技报.2020年04月30日
html/kjb/2020-04/30/10/content_259646.htm
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