震惊，一年竟有424天！
2020/12/10 17:00:00 中国科普博览
转眼间2020年余额已经所剩无几，尤其是今年给人的感觉过得尤其之快，仿佛转眼间又从去年的冬天到了今年的冬天。
然而，面对成堆的科研压力和满地的头发，总是在一年的最后这段时间希望时间过得慢一些，一年能多出几个月供我们挥霍。
在早在5亿多年前的寒武纪时期，一年竟有424天!相对于今天多出了两个月的时间，相对应每天的时长也有缩短。这一惊人的发现竟然是通过对古生物学的观察得出的。
生长习性指的是生物长期与环境相互作用形成的生活习惯和生态习性。生态习性是生物的固有属性，生活习性是生物能良好生存的生活环境。所以，生物的习性变化很大程度可以反映环境的演化，当这一方法运用到古生物上将会起到巨大的作用。
生物的生长离不开生活环境的制约，地球的自转、公转、气候变化、四季交替等变化都会在生物上产生周期性的影响。
树有轮，节有节。不同生物的习性可以记录复杂的环境变化，不同的环境变化也可以在生物身上留下深刻的记录。
很多生物表面都有着类似于“树木年轮”的记录，清晰地记录着地质历史时期沧海桑田的变迁。早在90年前，马廷英(1933)就注意到珊瑚的生长线反映了海水水温的季节性变化，他发现远离赤道的珊瑚在结构上反映季节变化更明显，这为古生物学在研究环境演化上起到了先驱性的作用。化石对时间记录的研究，直到上世纪70年代被尹赞勋院士定义为“古生物钟”，用以探讨对地球环境的记录，这一名称也得到了学术界的一致认可。
下面，就带大家了解一下人们是如何认识古生物钟，又是如何通过古生物钟破解地球演化的惊天大案的。
Part. 1
古生物钟
植物的开花结果，动物的冬眠苏醒，自然界的生物如同完成自己的使命一样，总是按部就班的进行着生物活动。仿佛每个生物心中都有一个永动的钟表，随时提醒你到了什么季节该完成什么工作。当这些生长活动反映在生物身上可能会产生有周期性的痕迹，如同树木年轮一样，这样的痕迹就被叫做生物钟。
树木年轮
年轮与气候变化
现代深海单体珊瑚
而古生物化石身上也同样具有的生长周期的痕迹，这些生长痕迹随着生物体被石化成化石而被完整的保留下来，这些痕迹就被称为“古生物钟”。古生物钟记录了这些生物当时的生长信息，为我们解读地质历史时期环境的演化提供了重要的依据。
而珊瑚化石往往保存完整，如同现代珊瑚一样，珊瑚对海水环境要求苛刻，而且生长极易受到环境变化的影响，因此常有人用珊瑚化石发育情况试图恢复古气候带。且珊瑚的生长纹层具有周期性规律，可以反映季节的变化，具有与树轮相似的特征，因此珊瑚也被称为“海上树轮”。且珊瑚早在奥陶纪就出现并快速发展壮大，且化石往往保存完整。因此，研究地球历史环境的变化，珊瑚常常是个有利的工具。而对珊瑚化石的研究甚至解决了连物理学家都没有说明白的地球自转问题。
单体珊瑚化石
日射脊板珊瑚化石
Part. 2
古地球自转谜题
我们都知道，地球每绕太阳公转一周，便经历了365个昼夜，准确来说一个恒星年是365日6时9分10秒，自从人类记录时间以来，每年以来一直如此，未曾更迭。但是随着科学研究的不断深入，从18世纪开始，地球物理学家和天文史学家逐渐发现了问题。
通过长期对月球绕地球公转的长期观察发现，月球公转的速度越来越快，有一个缓慢地加速度。最初人们认为，这种引起缓慢加速的原因有两种，一是因为月球自身的加速，或是因为地球自转变慢。拉普拉斯认为月球的加速是因为太阳对月球轨道偏心率的作用，使得月球在黄经上有个加速度，产生了长周期的摄动；也有人认为地球自转的减慢是因为长期太阳潮汐的摩擦。
一时间众说纷纭，没有定论，这一争论一直持续到了20世纪。人类通过300多年对日长的精确记录和分析发现，每一百年每天就会增加1.6毫秒。照这个增长速率，12亿年前，一天仅有18.8个小时。这也说明了地球自转的速率正在逐渐降低。
地球老了，她转得越来越慢了。但是始终没有物理学家可以拿出准确证据来证明这一现象。
Part. 3
珊瑚告诉了我们一切
当天文学家和地球物理学家面对这一问题苦于无法证明之时，古生物学家拿着珊瑚化石站了出来，打破了这一困境。
1963年Wells发表了一篇重要的Nature文章，他发现现代珊瑚中一年生长了大约360条很细的生长线，并指出这些生长线实际上可能是每天生长周期的标志。Wells又研究了产于泥盆纪和石炭纪保存良好的标本，他发现石炭纪珊瑚每年生长线为385-390圈，而泥盆纪珊瑚有每年400圈生长线左右(385-410条之间)。这与用天文学方法求得的各地质时期每年的天数大体相等。
据计算，寒武纪每昼夜为20.8小时，泥盆纪21.6小时，石炭纪21.8小时，三叠纪22.4小时。白垩纪23.5小时。现在一天是24小时。如果我们知道了每年天数的变化，就可利用观察化石生长线得知的每年天数来确定其地质时代。
这篇文章一经问世，引起了天文学、地球物理学、地质学等多方面学者们的一致好评，从实际上证明了地球自转逐渐变慢、日长增加的事实。
对珊瑚生长纹的研究(Wells, 1963)
Wells通过古生物估算结合同位素定年结果做出了如下的图，其结果正好与天文学推算出的每年的日数演化完全符合!
随后，Scrutton在1965年又讨论了珊瑚化石生长脊的意义。一个朔望月指的一个月的周期，代表着一次潮汐的变化，反应于海水的环境，作用于珊瑚的生长结构。每一个朔望月珊瑚便会生长出一个沟间带，每经历一个春秋便会生长出一个脊。于是Scrutton在一个较好的中泥盆世珊瑚标本中发现，两个隆起的脊之间正好有13个沟间带，也就说明了一年有13个月，正好对应了所计算得到的，中泥盆世每年有13.04个月，一年399天。
除了珊瑚之外，很多化石也存在着明显的生长纹路。
例如，双壳类动物，在双壳的壳饰上有明显的生长纹。Bonham(1965)在研究太平洋中比基尼岛附近的大砗磲(Tridacna gigas)时，在切面发现有两处生长层是由于50年代的两次核爆炸的放射性条件下长出的。在随后的研究中，通过刻槽标记的方法发现了双壳按节律生长的规律。但可惜的是，双壳在闭合的时候会阻碍壳的生长，所以无法通过双壳的生长纹来准确判断过去时长的变化。
双壳生长纹头足类生物具有更为明显的生物纹路。鹦鹉螺就是典型的头足类生物，其从4亿年前的奥陶纪就已经存在，到现代印度洋—西太平洋珊瑚礁水域中仍有存活个体，所以能较好地与过去样品对比。
现代鹦鹉螺壳内的每两片隔膜之间生长线数量基本一致，平均有30条生长线，与太阴月(29.53日)基本吻合。而对奥陶纪以来的鹦鹉螺壳内生长线数目变化进行对比，也发现每月的生长线数量是呈不稳定的递减过程，这也说明了地球自转速率减慢。
另外，菊石、角石、箭石等灭绝的头足类动物也发育较好的生长纹。通过对古生物钟和生长纹的研究，研究人员还总结出奥陶纪以来地月参数的变化，得出月球正在远离地球的结论。
但是，最新的研究却认为鹦鹉螺此类的动物的纹层并不能反映环境周期性的变化，通过现代实验室培养条件下对鹦鹉螺培养观察发现，鹦鹉螺的每个气室并不是相同时间生长出来的，随着气室的增多所需要的生长时间也会变长。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，所以头足类的生长纹路用于判断每年的天数上并没有太大用处。
现代鹦鹉螺
鹦鹉螺壳切面
香花菊石化石切面
四川条状角石切面
Part. 4
叠层石延续传奇
虽然许多生物生长纹路在研究每年天数上并没有多少积极作用，但人们对古生物钟的研究并未停滞，中国古生物学家随后起到了关键作用。
在元古宙广泛分布的叠层石是极其有力的工具，在中国北方前寒武的碳酸盐岩地层中经常看到具有层状构造的岩石，那便是原始藻类不断地胶结沉降形成的有纹层的一类化石，一层层规律生长的叠层石宛如书画一样记录着数十亿年前前寒武纪环境的变化。直至今日在澳大利亚鲨鱼湾等地还有着持续生长的叠层石，这些藻类生物最早在38亿年前就已经出现。
最早是Pannella(1972)肯定了叠层石的古生物钟作用，叠层石纹路复杂很难区分哪些是每天的变化层或是每月的变化层，只有叠层石具有日生长纹才能够判断远古时期的日平均长度。通过将今论古的思想，对比了现生藻类的生长规律发现了叠层石生长是有日节律的。于是Pannella通过细致观察，将叠层石的生长纹分为了五级。
澳大利亚鲨鱼湾叠层石
叠层石生长纹分级
随后，曹瑞骥(1991)在天津蓟县雾迷山组发现了一种藻席Pseudogymnosolen叠层石交替生长的生物礁，发现了叠层石指示日、月、季的三级周期，并首次推算出12亿年前地球每月的天数为40~49天。据此，天津地质矿产研究所通过对五台地区的沉积岩研究推论，五台山滹沱群沉积时期平均每年有460多天。
曹瑞骥对周口店地区铁岭组叠层石的研究和天津地矿所朱士兴和黄学光教授对天津蓟县雾迷山组叠层石纹层的C、O同位素值测定得知，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多天，一天只有16.99±0.66小时。由于叠层石年代古老的原因，这使得对每年日长的判断延伸到了前寒武时期，极大地推进了古生物钟的发展。
叠层石良好的生长纹
还有很多类似的古生物钟值得去探讨，不过受限于样品数量和年龄不适用研究地质历史时期每年天数的变化，但依然具有很重要的古环境意义。例如，生物牙齿的横切面、鲨鱼的脊椎骨切面、龟鳖的甲壳生长纹、带角生物的切面、腕足生物的壳饰等等都可以看到一层层生长的痕迹。这些生物钟在记录着这些生物的生命历程的同时，也见证了地球环境的变化。
或许单个生命反应的这些变化是微小的，或许没有规律可言，但是累积的记录，从量变再到质变，我们可以清楚地看到从前寒武纪有生命以来，地球想告诉我们的一切。
一些生物的生长纹
Part. 5
一些猜想
对于古生物钟是否能记录地质环境的变化，尚有一些争论。
有人坚持内生论，指的是某些生物体从遗传上就带有一种像钟一样的而且能够周而复始的循环周期，不受外界的影响(如生物周期说)。而外生论则坚持生物所以能够像上好了弦的钟表，本要原因是受到了外来的有节律的刺激信号，温度、水分、地球自转等都是信号的来源。
尽管大量的事实和统计学数据都支持在了外生论这一方，但是古生物钟的科学成因目前仍是古生物学家努力的方向。
基于对地球自转速率变化的推导不难得出地球自转越来越慢的事实，但是如果我们将时间再往前推，试着讨论12亿年前地球的特征，会发现一件可怕的事情。由于每年天数的变化与时间竟有着良好的线性关系，所以在地球形成初期地球的自转速度可能是非常非常快的，甚至一天可能只有4个小时，一年将会有2190天!
另一件可怕的事情是，如果我们把推算的时间往未来延伸，会发现地球终有一天会进入暮年，她不再能自由地自转，变成了一个仅随太阳公转而失去了自理能力。当地球被太阳潮汐锁定位置时，停止了自转，将有一面永远是极地，一面永远是炎热干旱!那时候一天可能要100多个小时，生物的作息也会发现剧变，每个人的工作时间被无情地延长了好几倍(当然那时候可能人类已经找到了新的栖息地……)。
当然，这一切的假设都比较玄幻，有很多的前提条件，比如我们常常会认为地球公转的时长是确定的，太阳的性质是始终没有变动的等等，这就会引起一些估算上的误差。实际上，46亿年是个极其漫长的过程，这其中众多的变数是目前很难猜想的。
究其原因，地球为什么会自转地越来越慢呢？
这件事情始终没有定论，很多人认为可能是由于长时间太阳潮汐对地球的摩擦力，使得地球不断减速；也有人认为地球自身能量的消耗，地球正在老去；也有人认为由于地幔最深处后钙钛矿的导电性差异的原因导致地球的自转速度是有周期性变化的，每十年会增加或者减少千分之三至千分之四秒。
但是终归没有定论，对于地球，甚至只是自然界，人类还有着很多的未知没能解决，需要更多地球科学家不断地努力，前仆后继地去解决更多的秘密。
参考文献：
图片均来自网络和文献1.Cao, Ruiji. Origin and order of cyclic growth patterns in matministromatolite bioherms from the Proterozoic Wumishan formation, North China[J]. Precambrian Research, 1991, 52(1):167-178.2.Ma T Y. On the seasonal changes of growth in Some Palaeozoic Corals[J]. Proc. Imp. Acad. Tokyo, 1933, 9:407-409.3.WELLS, John W . Coral Growth and Geochronometry[J]. Nature, 1963, 197(4871):948-950.4.冯伟民, 叶法丞, 谭超,等. 神奇的古生物钟[J]. 生物进化, 2015(2):22-38.5.谢翠华. 奇妙而古老的时钟——古生物钟[J]. 化石, 1979(3):13-15.6.尹赞勋, 骆金锭. 从天文观测和生物节律论证古生物钟的可靠性[J]. 地质科学, 1976(01):3-24+105-106.7.朱士兴, 黄学光. 13亿年前叠层石的生长节律和地-日-月动力学[J]. 微体古生物学报, 2003.
文章来源：中科院地质地球所本文仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场
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