地球上，生命是如何進化爲今天的模樣的？從地球產生到今天，幾十億年的時間，地球上發生了哪些變遷？那些地球誕生之初出現的生命今天還能找到嗎？這許多的問題，都是人類一直孜孜不倦在追尋的內容。想要找到這些問題的答案並不容易，科學家們數年如一日的研究，方纔窺得一斑。今天我們就走進地球上最古老的生物化石——疊層石，透過這種古老的生物化石，窺一窺地球的祕密。
▲在澳大利亞克利夫頓湖，有活着的現代疊層石。攝影/王金成
地球上第一批製造氧氣的微生物製造了疊層石
相信很多人都聽過盤古開天的故事，盤古從沉睡中醒來，發現大地一片混沌，於是用斧頭劈開了天地。混沌的大地，其實是地球產生之初的真實寫照。地球大約誕生於46億年前，這之後很久，地球上都沒有生命跡象，這裏到處充滿了氮氣、二氧化碳等氣體，那時候地球上還沒有氧氣。
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。這些海洋裏面的生物幾乎是在無氧狀態下成長，它們生存並不需要氧氣，氧氣對它們來說甚至是毒氣。直到距今大約35億年前，一種有着特殊本領的生物——藍細菌誕生了，它們可以進行光合作用，“吃”下二氧化碳，“吐”出氧氣。
▲三十幾億年前的地球，火山活動劇烈，大氣中沒有氧氣，藍細菌剛剛在大海中誕生，它們可以進行光合作用，吐出氧氣，並在此過程中分泌黏液，把水中微小的沉積物顆粒膠結成石。供圖/CHRISTIAN JEGOU PUBLIPHOTO DIFFUSION
藍細菌在進行光合作用的過程中，還會分泌出一些黏液，把其他一些微生物粘連在一起，也會把海水中微小的礦物顆粒膠結起來，從而形成一種獨特的微生物沉積岩——疊層石。疊層石與珊瑚有些類似，不過珊瑚是珊瑚蟲建造的，而疊層石是以藍細菌爲代表的微生物羣構築的。
疊層石可以說是有生命的岩石。那些粘連在一起的微生物，如好氧異養菌、硫酸鹽還原菌、硫氧化菌以及發酵菌等，慢慢堆疊成厚一些的微生物墊。隨着微生物墊不斷髮展，生活在其中的菌類互相合作，一種菌的代謝產物爲另一種菌提供養料，形成了地球上第一個生態系統。
在疊層石上，每平方米大約生活着36億個微生物。它們一層一層緩慢地生長着，新的不斷覆蓋舊的，越長越大，數量也越來越多。在此後的20億年中，以藍細菌爲主的微生物們不斷釋放着氧氣，最終使地球大氣中的氧含量增加到21%，爲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同共生形成的。供圖/EYE OF SCIENCE
疊層石紋理既是生長記錄，也有天文資訊
和樹木的年輪一樣，疊層石也有着自己的紋理。任意剖開一塊疊層石，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”出來的，是疊層石的生長記錄。
據科學家研究推測，疊層石上明暗相間的紋理和疊層石上藍細菌生長的趨光性有關。白天陽光充足，藍細菌對日照特別敏感，紛紛向光源方向直立生長，在生長過程中產生的黏液將周圍的礦物顆粒膠結起來，這樣就形成了疊層石中的亮紋層；夜晚光線弱，藍細菌便由直立轉爲密集匍匐分佈，並停止了堆積，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，既沒有絢麗的色彩也沒有奇異的造型，疙疙瘩瘩的表面、暗淡無光的色澤甚至讓它們看上去頗爲醜陋，但它們中卻隱藏着地球生命起源的祕密。攝影/姜爽
這些明暗相間的紋理是藍細菌生長的記錄，也是晝夜和季節變化的資訊，研究這些紋理，我們可以推測以前的時間變化。科學家根據對疊層石的研究發現，在13億年前，地球一年約546—588天、約13—14個月，而且這些研究數據，與天文觀測計算出的結果相差無幾。
此外，專家透過對10億年前的疊層石的研究還發現，當時的地球黃赤交角約爲30°，比現在的23°27′明顯要大，也就是說，當時地球的傾斜角度更大。結合其他結論，科學家認爲由於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，越來越“正”了。
除了以上的作用，疊層石還可以“製造”鐵礦。今天在一些疊層石的表面能看到很多發紅的地方，那些都是因爲含有鐵元素的關係。在藍細菌繁盛的年代，海洋中存在過大量鐵元素，藍細菌透過光合作用產生氧氣，鐵元素被氧化後沉積在海底。後來，又經過漫長的地質作用便形成了鐵礦。
▲疊層石在風化侵蝕下大多呈現出扁平的形狀，一些藻類附着在上面，爲它們塗上了一抹抹斑斕的色彩。攝影/Yann Arthus Bertrand
此前，人們從未想過還有活着的疊層石
疊層石的形成年代十分久遠。地質學家在澳大利亞、北美和南非三個不同大陸的11個地點均發現了疊層石的身影，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岩中發現的，約形成於37億年前。
年代久遠的疊層石是非常稀少的。據專家研究，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（新太古代以後），疊層石的分佈範圍和種類漸漸豐富起來。到約12.5億年前，疊層石的繁盛達到了頂峯，這一時期的疊層石，在全球七大洲各地幾乎都曾被發現。之後，寒武紀迎來了生命大爆發，疊層石的數量開始急劇減少。
科學家們猜測，疊層石減少的原因可能是寒武紀生命大爆發後，後生動物（除原生動物之外所有動物的總稱）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着。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，科學家們在澳大利亞的沙克灣哈默林池發現了活着的現代疊層石！此後，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現新的現代疊層石。
在哈默林池的疊層石被發現之前，人們從未想過還有活着的疊層石，而且這些疊層石還在繼續生長。在哈默林池，連綿成片的疊層石沿着海岸鋪陳開來，高矮不一，從幾釐米到幾米不等。據研究發現，這裏的疊層石，以每年0.4毫米的速度生長，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，要歸功於這片海域的特殊環境。沙克灣位於澳大利亞最西端，靠近熱帶，高溫帶來的高蒸發，再加上半封閉的海灣地形，使得這片海域的鹽度大大升高，以至於讓大多數的海洋微生物避之不及，於是這片海域成了以藍細菌爲主導的微生物羣的天堂。它們閒適地在此繁衍、生長，繼續吐出氧氣，繼續建造着疊層石。
▲澳大利亞哈默林池分佈着大面積活的疊層石，科學家們將這裏視爲研究現代疊層石的勝地。攝影/楊軒昊
在我國，想近距離觀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8億年前這段時期，今天的天津地區還被海水所覆蓋。此後的7億多年裏，海水在這裏來來去去，屢次進退。到了約1億年前，經歷“燕山運動”後，薊縣地區（現爲天津市薊州區）的地殼不斷隆起，形成了今天我們看到的低山丘陵。億萬年過去了，天津海陸變遷和地質演化的痕跡在薊縣完整地保留了下來。
薊縣地層中完整地呈現了中上元古界時期的地層面貌，而且這裏的地層剖面中幾乎各個時期都有疊層石被發現，數量達數十種，年代爲距今14億至12億年前。這裏的疊層石非常壯觀，甚至整座山都是疊層石。在這些疊層石中，發現了至少有16個屬、28個種的微生物羣，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掘出來，甚至還建造了以疊層石工藝爲主題的奇石館。攝影/張薄開
在薊縣，與其珍貴程度相反，這些紋理清晰、千姿百態的疊層石就那麼隨意地裸露在大地之上，有的爲錐形、有的呈柱狀、有的像一面石壁或一堵城牆，還有些形成了一個個球形的凸起。實在難以想象，這些石頭是微生物們歷經數億年之功，才塑造出來的。
由於疊層石產出豐富，天津薊縣被稱爲疊層石寶庫。在國內外博物館、地質院校裏看到的疊層石標本，多是來自天津薊縣。在天津自然博物館的大門口，矗立着一塊重達19.8噸的疊層石，距今約10.5億年，其產地就是薊縣。在薊縣，還建立了天津薊縣國家地質公園，園內儲存着大量的、極其珍貴的地質遺蹟和地質景觀，如果想進距離接觸疊層石，可以去園內尋找一下。
▲圖爲天津薊縣的疊層石，距今約13億—16億年。攝影/吳軍江
重慶酉陽，疊層石規模堪稱中國南方之最
在重慶酉陽後坪鄉和板溪鎮，於2016年10月和2017年2月分別發現了大面積的疊層石。據專家研究發現，酉陽的疊層石形成時間是在距今約5億年的寒武紀。這裏的疊層石分佈很廣，從北至南綿延上百公里，範圍達幾百平方千米，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，恰如石頭當中盛開的花朵，被譽爲“石花”。這些如石林般成片出現的疊層石，規模之大，堪稱中國南方之最。當地政府根據疊層石的分佈，還在酉陽板溪鎮打造了“疊石花谷”景區，供人們近距離觀賞這些5億年前形成的“石花”。
▲在重慶酉陽，疊層石的規模，是以成片的石林形式出現的，堪稱中國南方之最。供圖/重慶市地質災害防治工程
山西五臺山，“地球早期地質歷史博物館”
五臺山地處華北大陸的腹地，這裏的地層很齊全，完整儲存了上萬米厚的古元古代 （25—19億年前）滹沱羣沉積地層，完美記錄了這一階段地球的演變歷史，堪稱“地球早期地質歷史博物館”。2008年，地質專家李江海在五臺山考察時，發現了一塊有23億年曆史的疊層石，這塊疊層石直徑約450釐米，高度500釐米，球體形態精美完整，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，而且在一些裸露的岩石上，也有大片鑲嵌在崖壁表面，如果想近距離觀察疊層石，可以去五臺山的山間尋找，相信會有很多收穫。
▲圖爲山西地質博物館中的疊層石標本，上面那些明暗相間的花紋，既是疊層石生長的記錄，也蘊含着地球自轉與公轉的資訊。供圖/山西地質博物館
北京西山，中國地質事業的搖籃
北京西山是對北京西部山區的統稱，屬太行山的餘脈，包括了北京門頭溝全境和房山、石景山、海淀、昌平等區的部分山地。這裏有着豐富的地質現象，可以說是中國地質事業的搖籃，從19世紀中期開始，地質學家們就開始了對北京西山的地質考察。在北京西山各地的地層中，幾乎都有疊層石的身影，如地處北京西山並與八達嶺長城、十三陵毗鄰，我國北方著名寒武紀地層剖面——南口剖面，其地層中有十分豐富的疊層石分佈。在北京，如果想找到疊層石，可以去門頭溝、永定河谷、昌平南口等地。
▲房山世界地質公園白石山園區中的波狀疊層石。供圖/中國房山世界地質公園管理處
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“萬卷史書”[J].《中國國家地理》中文繁體版.2019(02)
·匡學文，張雲霞，孫博陽編著. 博物館裏的中國 破譯化石密碼[M]. 2015
·曹瑞驥,袁訓來.尋覓記錄在疊層石中的天文學資訊[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鍵和視窗[J].古地理學報.2016-04-01
·溫志峯,鍾建華,李勇,郭澤清,高劍波.疊層石成因和形成條件的研究綜述[J].高校地質學報.2004-09-30
·餘裕.疊層石：大地的史書.重慶科技報.2020年04月30日
html/kjb/2020-04/30/10/content_259646.htm
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