一年竟有424天

文｜Redlichia

大多数时候，人们总会希望时间过得慢一些，一年如果能多出几个月那就再好不过了。早在5亿多年前的寒武纪（距今5.42亿～4.85亿年前）时期，一年的天数可能更合今天人们的心意——竟有424天，相比现在多出了2个月的时间，而相对应的，每天的时长也有缩短。这一惊人的结论是从哪里得来的呢？古生物学的观察将为我们解答。

这些观察基于一种重要的认识，即生物的生长习性。生长习性是指生物长期与环境相互作用形成的生态习性和生活习性。前者是生物的固有属性，后者则来自生物的生存环境。所以，生物习性的变化很大程度上可以反映环境的演化，当这一方法被运用于古生物研究，就发挥出了巨大的作用。

地质历史时期

地质时期指地球历史中有地层记录的一段漫长的时期。由于目前已发现的地球上最老的地层同位素年龄值约为46亿年，因此一般以46亿年为界将地球历史分为两大阶段：46亿年以前阶段，称为“天文时期”或“前地质时期”；46亿年以后阶段，称为“地质时期”。在各地质时期，与地球相关的宇宙空间、太阳系，以及地球上发生的大事件，会在地球的地壳运动、岩石、构造、古生物、地磁、古气候等多方面留下记录。不同地质时期的地质作用不同，形成的特征也不同。地质历史时期，则主要指现代以前（第四纪全新世以前，即人类繁荣以前）地球上的各个地质时期。

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、四季交替等都会对生物产生周期性的影响。树有轮，竹有节，不同生物的习性可以记录复杂的环境变化，很多古老生物体上都有类似树轮的痕迹，清晰地记录着地质历史时期沧海桑田的变迁。早在1933年，我国古生物学家马廷英就注意到，珊瑚的生长线能反映海水水温的季节性变化，而远离赤道的珊瑚在结构上反映季节变化的特征则更明显，这成为利用古生物学研究环境演化的先驱性发现。对化石中时间记录的研究，在20世纪70年代由中国科学院尹赞勋院士定义为“古生物钟”，用以探讨古生物对地球环境的记录，这一名称也得到了学术界的一致认可。

那么，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呢？

神奇的古生物钟

植物会开花结果，动物有冬眠苏醒，自然界的生物总是如同完成自己的使命一般，按部就班地进行着生物活动，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，就可能留下周期性的痕迹，如同树木的年轮，这样的痕迹就是“生物钟”。

从树木年轮看气候变化

古生物化石上也同样有生物生长周期的痕迹，这些生长痕迹随着生物体被石化，完整地保留了下来，成为“古生物钟”，能够为我们解读地质历史时期环境的演化提供重要依据。

如珊瑚化石。珊瑚早在奥陶纪（距今4.8亿～4.4亿年前）就出现并快速发展壮大，其化石通常保存完整，且如同现代珊瑚一样，古珊瑚对海水环境要求苛刻，生长极易受到环境变化的影响，其生长纹层极具周期性规律，有与树轮相似的特征，能反映季节的变化，被称为“海上树轮”。因此，常有人用珊瑚化石的发育情况来进行古气候带的恢复研究。而更神奇的是，对珊瑚化石的研究甚至解决了连物理学家都没能说明白的地球自转问题。

地球自转之谜

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，公转一周的一个恒星年是365日6时9分10秒。自人类记录时间以来，每年如此，未曾有变。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观察发现，月球公转的速度越来越快，有一个缓慢的加速度。最初人们认为，这种引起缓慢加速的原因有两种：一是因为月球自身加速，二是因为地球自转变慢。法国数学家、物理学家拉普拉斯认为，月球的加速是因为太阳对月球公转轨道偏心率的作用，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的太阳潮汐摩擦所致。一时间众说纷纭，没有定论。

这一争论一直持续到20世纪。通过300多年对日长的精确记录和分析，人们发现，每过100年，一天就会增加1.6毫秒。照这个增长速度反推到12亿年前，一天仅有18.8个小时。这也说明了地球自转的速度正在逐渐变慢。

珊瑚记录的秘密

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，美国康奈尔大学的威尔斯教授发表了一篇重要的文章，指出现代珊瑚一年生长了大约360圈很细的生长线，这实际上可能代表了现代珊瑚以天为单位的生长周期。威尔斯又研究了产于泥盆纪（距今4.05亿～3.5亿年前）和石炭纪（距今3.55亿～2.95亿年前）保存良好的珊瑚化石，发现石炭纪珊瑚每年的生长线为385～390圈，泥盆纪珊瑚每年则有385～410圈生长线。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，寒武纪时期一昼夜为20.8小时，泥盆纪时期为21.6小时，石炭纪时期为21.8小时，三叠纪（距今2.5亿～2亿年前）时期为22.4小时，白垩纪（距今1.45亿～0.66亿年前）时期为23.5小时，现在的一昼夜则是24小时。如果我们知道了不同地质历史时期每年天数的变化，就可利用观察古生物化石的生长线来确定其地质时代。这篇文章同时也证明了地球自转逐渐变慢、日长增加的事实，受到天文学、地球物理学、地质学等多学科学者的一致好评。

随后，英国自然历史博物馆的斯克鲁顿在1965年又讨论了珊瑚化石上生长脊的意义。一个朔望月即一个月的周期，代表一次潮汐变化，反映于海水环境，作用于珊瑚的生长结构。每个朔望月，珊瑚都会生长出一条沟间带，每经历一个春秋便会生长出一条脊。斯克鲁顿在一块保存较好的中泥盆世珊瑚标本中，发现2条隆起的脊之间正好有13条沟间带，也就说明了一年有13个月，正好与天文学计算所得相吻合——中泥盆世每年有13.04个月，共399天。

保存完好且生长线清晰的珊瑚化石

地质历史时期与一年天数对照图。威尔斯通过古生物估算结合同位素定年做出本图所示结果，正好与天文学推算出的地质历史时期中每年的天数演化完全相符

除了珊瑚，很多其他古生物化石也存在明显的生长纹路。

例如双壳类动物，其壳饰上有明显的生长纹。来自美国华盛顿大学辐射生物学实验室的伯纳姆(1965年)在研究太平洋比基尼岛附近的大砗磲时，在壳体的横截面影像图上发现有2处生长层，是在20世纪50年代2次核爆炸的放射性条件下长出的。在随后的研究中，又通过刻槽法标记发现了双壳类动物的生长节律。但可惜的是，其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。

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—西太平洋的珊瑚礁水域中仍有存活个体，所以能较好地与过去的样品对比。现代鹦鹉螺壳内，每两片膈膜之间的生长线数量基本一致，平均有30条，与太阴月(29.53日)基本吻合。而与奥陶纪以来的鹦鹉螺壳内生长线数目进行对比后，也发现每月的生长线数量呈不稳定递减趋势，这同样说明了地球自转速度在减慢。另外，菊石、角石、箭石等灭绝的头足类动物也发育有较好的生长纹。通过对古生物钟和生长纹的研究，还能够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，最新的研究认为，鹦鹉螺的纹层并不能反映环境周期性的变化。通过现代实验室条件下对鹦鹉螺的培养发现，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，也仅是装饰作用，与其自身的周期性变化无关。所以，在判断每年的天数上，头足类生物的生长纹路并没有带来太大用处。

鹦鹉螺壳切面

菊石化石切面

鹦鹉螺

叠层石延续传奇

虽然许多生物的生长纹路在研究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在这一领域起到了关键作用。

在元古宙（距今25亿～6亿年或5.7亿年前）广泛分布的叠层石是极有力的研究工具，在中国北方前寒武纪时期留下的碳酸盐岩地层中，经常可以看到具有层状构造的岩石，那便是原始藻类不断胶结、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的前寒武纪时期的环境变化。直至今日，在澳大利亚鲨鱼湾等地还有持续生长的叠层石，这些藻类生物早在38亿年前就已出现。1972年，美国耶鲁大学地质和地球物理学系的潘内拉最早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或每月的变化层，但潘内拉通过对比现生藻类的生长规律，发现了叠层石的生长是有日节律的。这样一来，根据叠层石的日生长纹就能够判断远古时期的日平均长度了。潘内拉通过细致观察，将叠层石的生长纹分为了5级。

澳大利亚鲨鱼湾叠层石

随后，中科院南京地质古生物研究所研究员曹瑞骥于1991年在天津蓟县雾迷山组发现了一种藻席与叠层石交替生长的生物礁，这里的叠层石指示日、月、季的3级周期。研究人员首次推算出，12亿年前地球每月的天数为40～49天。据此，通过对山西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；对北京周口店地区铁岭组叠层石的研究和对天津蓟县雾迷山组叠层石纹层的碳、氧同位素值测定得知，10亿年前的地球每年至少有516±20天、12.9±0.5个月，每个月有

40多天，每天只有16.99±0.66个小时。由于叠层石年代古老，使得对每年日长的判断延伸到了前寒武纪时期，极大地推进了古生物钟研究的发展。

叠层石生长纹分级

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，以及样品年龄，已不适于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、带角生物的角的切面、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。或许单个生命反映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”，指某些生物体因遗传而天生具有像时钟一样的循环性周期，不受外界的影响；而“外生论”则认为，生物之所以能够像上好了弦的钟表，主要是因为受到外来节律的刺激，环境中的温度、水分、地球自转等都是刺激的来源。尽管大量的事实和统计学数据都支持“外生论”这一方，但古生物钟的科学成因目前仍是一个未解的谜题。

基于对地球自转速度变化的推导，我们不难得出地球自转越来越慢的事实，但如果将时间再往前推，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地质时间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！

不同生物的生长纹告诉我们，在记录个体生命历程的同时，它们也见证了地球环境的变化

另一件可怕的事情是，如果我们把推算的时间向未来延伸，会发现，地球终有一天会进入暮年，不再能自由地自转，而是变成一个仅随太阳公转且被太阳潮汐锁定的星球。停止了自转的地球，将有一面永远是被寒冷冰封的极地，另一面则笼罩着无尽的炎热和干旱。那时候，一天可能有100多个小时，生物的作息也会发生剧变，每个人的工作时间将被无情地延长好几倍(当然那时如果还有人类的话，可能已经在太空中找到了新的栖息地)。当然，这一切都是假设，基于很多先决条件。比如，我们常常会认为地球公转的时长是确定的，太阳的性质是始终不变的等等，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。

后钙钛矿

钙钛矿是一类陶瓷氧化物，因最早被发现于钙钛矿石中而得名。钙钛矿可用于提炼钛、铌和稀土元素，且由于其结构特殊，因此在高温催化及光催化方面有应用前景，可用来制作太阳能电池的替代材料。钙钛矿最随深度加深，分为钙钛矿和后钙钛矿——钙钛矿会在距地表2600千米深、大约120吉帕的高压下发生相变，转变成后钙钛矿。

究其原因，地球的自转为什么会越来越慢呢？这件事始终没有定论，很多人认为，可能是由于太阳潮汐长时间对地球的摩擦力，使得地球不断减速；也有人认为是由于地球自身能量的消耗，让地球正在老去；还有人认为，由于地幔最深处后钙钛矿的导电性差异，导致地球的自转速度存在周期性变化，即每10年会增加或者减少0.003～0.004秒。

但这些探讨终归没有定论。对于地球，甚至只是自然界，人类还有很多未知没能解决，还需要更多地球科学家不断努力，前赴后继地去揭开更多这颗蓝色星球的秘密。