各基础学科之间的相互渗透是现代科学发展的趋势之一。自从20世纪中期“古生物钟”研究兴起以后,天文学与古生物学这两大古老基础学科之间的横向联系已初见端倪。其实在古生物体内记录的天文学信息并未局限于“古生物钟”,其中一些可能至今仍不为我们所识别。如何运用天文学知识探索古生物学中的许多有关问题,已成为摆在我们面前的一个新课题。
在浩瀚的宇宙中间,地球仅是数以亿计的天体之一。从形成以后,地球就按一定的规律演化和不停地运动。在太阳系中,地球的运动包括绕太阳的公转运动和绕其本身自转轴的自转运动。现今,地球绕太阳公转一周的时间约为365.3个太阳日,自转一周的时间约为23小时56分钟。月球是最靠近地球的一个星体,它既围绕地球运转,又参与绕太阳的公转。月球围绕地球运转的周期,因选用基点的不同,现今分别为29.53、27.32、27.21、27.55個太阳日。
当前的研究已经证明,地球的自转速度和地月之间的距离在长达几十亿年的地质历史中是不断变化的。地球自转速度的变化与一系列重大地质事件的发生可能有种种的联系。很早以前,李四光就认为地球上纬向褶皱带的成因或许与地球旋转速度的变化有关。天文学研究证实,地球自转具有从快变慢的趋势。但现今的天文学知识无法提供不同地质时期地球转速的递减率。因此,人们将希望寄托在记录天文信息的古生物结构的研究上。
由于地球的自转,地球上出现了昼夜的交替,并由此导致了阳光、温度和沉积物化学组分等方面的周期性细微变化。这些细微变化常直接影响某些地球生物的生理功能和细胞的生长速度,从而引起生物生长结构上的相应变化。这些生长结构上的变化通常以层纹形式记录在生物体内或壳体中。人们将这些层纹称为“日层纹”。
当地球绕太阳公转时,由于地球接受太阳辐射的不同(取决于地球相对干太阳的几何位置),地球上出现年、季节和潮汐的周期性变化。这些变化又引起日层纹在排列、组分和颜色等方面的相应变化,并形成反映“年”和“季节”的生长节律(或称“旋回”)。这些生长节律如同钟表一样周而复始地出现在古生物结构中。根据对化石中保留的层纹生长节律的性质和等级的分析和研究,人们很容易地统计出每个年或季节的节律中的日层纹数,并据此揭示不同地质时期地球自转速度的变化。20世纪60年代,Runcorn把古生物反映出时间尺度变化的功能称为“古生物钟”。
由于生物的习性,生长速率和骨骼性质各异,并非所有生物的生长结构都记录有明显的天文学信息。能够开展古生物钟研究的化石现知有珊瑚、瓣腮类、头足类、腕足类、层孔虫、苔藓虫、钙质蠕虫管、海胆板、节肢动物和叠层石。除叠层石外,其他均为动物化石。利用动物化石开展“古生物钟”的研究,人们仅能获取显生宙以来(即从5.4亿年前至今)的资料。地球形成历史接近46亿年,从古生物学上探索地球早期的天文学和地球物理等方面的信息只能依赖叠层石。
当前“古生物钟”研究中最大的障碍在于很难寻觅到记录完整的天文学信息的古生物材料。一些相对完整的天文记录又常受后期岁月的破坏而湮没。这些先天性的不足常是当前研究中的无奈和尴尬。“古生物钟”研究至今仍停留在尝试和试验阶段。
由于生理作用,某些动物可以将地球自转和公转运动引起的周期性的环境变化以层纹形式记录在硬质壳体之上。但叠层石是蓝细菌类构成的一种生物沉积构造,在本质上区别于具有硬质壳体的动物。将叠层石作为“古生物钟”研究的科学依据何在?需要首先阐明。
人们通过对现代“活”叠层石的实验并与化石叠层石比较研究后发现,由于日照的刺激作用和蓝细菌类微生物的趋光作用,叠层石可以与硬质壳体动物一样,将昼、夜为单位的时间段(天)以层纹形式记录在结构中。其日层纹形成机理可以分为以下两类。
第一,当白天来临,阳光普照,一些组成叠层石的丝状蓝细菌对日照特别敏感,纷纷向光源方向直立敞开生长。而当太阳落山,黑夜笼罩大地时,这些丝状蓝细菌将由直立转向密集匍匐分布。如此日复一日,一系列日层纹逐渐形成。这类日层纹是由于昼、夜光线变化导致丝状蓝细菌排列方式发生相应变化形成的,在现代“活”叠层石和燧石质化石叠层石的薄片中经常见到。它们的厚度通常介于80至150微米之间。在碳酸盐岩化石叠层石薄片中,蓝细菌类微生物极少保存,但在其中常观察到一些较厚的浅色微层(有机质相对贫乏)与较薄的深色微层(有机质相对丰富)交替分布。每个“微层对”的厚度与上述日层纹接近。有学者认为,这些“微层对”的成因似乎可以用上述日层纹成因机理加以解释,它们可能代表昼、夜沉积记录。
第二,一些蓝细菌类微生物在白天日照刺激下可以堆积一层薄薄的微生物膜,当缺少阳光的夜晚来临,微生物膜暂停堆积。第二个白天,另一层微生物膜又被形成,因而在两层有机质丰富的暗色微生物膜之间,常出现一层极薄的无机质亮间隙层,将两层微生物膜隔开。如此周而复始,另一类日层纹系列逐渐形成。在燧石质叠层石化石薄片中,常观察到这类日层纹,一些微生物膜中还可以见到类似Rlvularia蓝细菌的结构。这类日层纹厚度通常介于30至60微米。
计划实施以来,月球轨道变化,包括地月距离变化的研究已受到高度关注。天文学研究表明,月球轨道半径每年要增加4.5厘米,也就是说,在遥远的地质时期,月球的位置要离地球更近一些。为了证实这一观点,国际著名的地质学家Cloud对世界不少地区的潮间带叠层石进行了深入调查和研究,发现距今10亿年前的潮间带叠层石概要纵断面高度远比现今的大得多,其中一些可达6米。这表明当时的潮汐振幅应在6米以上。因而他推测前寒武纪中期前后,潮汐幅度超过其他任何时期,当时地月距离最为接近。然而,他的这一看法并没有被广泛接受。有学者认为,距今30亿年前的潮汐高差更大,可达12至25米。看来,这项研究仍需继续下去。