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科学家使用激光刻蚀探测古生物年代与成长环境

来源:激光制造网    发布时间:2020/3/18 9:59:26    点击量:

图片来源:pixabay

  想象你乘坐时光机穿越到了白垩纪,经过艰辛的挣扎求生,你看了眼表,感叹终于到了23:30,还有半小时就成功存活到第二天了!就在这时,一只霸王龙从身后靠近了你,用它的小短手戳了戳你后背:“兄弟你想啥呢,这不都已经第二天了?”

  你一路逃跑,边跑还边纳闷:“怎么回事啊,说好的一天24小时呢,怎么不一样了?”不用慌张,你应当还在地球上。最近一项发表于《古海洋学与古气候学》的研究显示,在7000万年前的白垩纪晚期,地球的一天只有约23.5小时。

  一年372天

  地球的自转速率是如何随时间变化的,这对科学家来说是一个有趣的挑战。毕竟,我们无法回到过去直接体验并记录当时的环境。想要了解这些信息,研究者只能像侦探一样,从可能的地质证据中寻找蛛丝马迹。

  一种名为Torreites sanchezi双壳动物的化石,就为远古地球环境的复原提供了高清证据。双壳动物是一种在身体左右两侧具有两瓣对称外壳的软体动物,我们现在吃的蛤蜊、扇贝等都属于双壳类。

贻贝也属于双壳动物(图片来源:pixabay)

  双壳类一直是古气候与古环境学中经常使用的研究对象。就像树木拥有年轮一样,它们的壳体也有生长线或生长纹。由于地理位置、气候等因素的不同,树木的生长速度会发生变化,从而影响年轮的疏密及清晰程度。同样,双壳类的生长线也能反映类似的环境条件。

  这篇论文研究的化石非常特别,它的生长线精度极高,且保存完好。研究者通过显微镜观察发现,T。 sanchezi的壳体中,浅色和深色纹层交替出现,每一组浅色与深色的纹层仅有约40微米厚。这就是它昼夜生长的痕迹——白天长出的壳体颜色浅,夜晚长出的颜色深。日复一日,这些纹层记录下7000万年前的每一天。研究者还发现,浅色和深色纹层的厚度比例呈现出以15天和30天为周期的变化,这很可能代表了潮汐和月度的周期。在此基础上,研究者进一步识别出了季度和年度周期。研究显示,该个体至少生存了9年,其中4年的生长线非常清晰、完整,提供了绝佳的研究材料。

化石中清晰可见浅色和深色互层(图片来源:AGU)

  除了肉眼可以看见的颜色变化,研究者还测量了壳体不同纹层中的稳定同位素(δ18O与δ13C)及微量元素(Ca、Mg、Sr、Li)含量,同样从这些化学指标中检测出变化周期。综合两种手段,经过进一步校准,研究者数出在该个体生存的时代,一年中有372±8.4天。考虑到地球公转轨道相对稳定,即每一年的总时长基本不变,由此可以算出,7000万年前的一天只有约23.5小时。

  与藻类共生的蛤

  T。 sanchezi生存于热带浅海,是一种底栖固着生存的蛤类,因此也被称为“固着蛤”,但它们在大约6600万年前,白垩纪末期的大灭绝事件中,就和恐龙一起灭绝了。论文通讯作者,比利时布鲁塞尔自由大学(Vrije Universiteit Brussel)的地球化学家尼尔斯·德温特(Niels de Winter)介绍道:“固着蛤是一种独特的动物,现在已经没有任何类似的双壳类动物了。在白垩纪晚期,这种双壳动物分布非常广泛,而且是重要的造礁生物。它们当时在生态系统中的作用,类似于我们现代的珊瑚。”

某种固着蛤类的化石,并不是本文所研究的化石。(图片来源:Wikipedia, Wilson44691)

  研究使用了激光刻蚀-电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS),该设备能用激光从壳上打下一连串直径只有10微米的小点,从而对壳体的不同部位连续取样,以分析微量元素的含量。在壳体生长时,环境温度及海水的成分都会影响其微量元素的比例。因此通过测量微量元素,甚至能够还原出当时每一天的环境变化。德温特对此感到非常惊喜:“我们在每天的生长带中都能采到4、5个数据点,这种精度在地学研究中是很难达到的。我们基本上看到了7000万年前的每一天,这太神奇了!”

LA-ICP-MS测得的微量元素数据,蓝色和绿色的阴影代表15天一组的周期,红色框代表30天一组的周期。

  研究显示,白垩纪晚期的海洋温度比以前认为的还要高,夏天可以达到40℃,冬天也超过了30℃。作者在研究中提出,夏季的高温可能已经接近了软体动物的生理极限。

  LA-ICP-MS带来的另一个有趣的结果是,相比起不同季节的差异,壳体的成分在白天与夜晚的差异更大。白天壳体的生长速度很快,而夜晚则较慢。在研究中,作者指出,这种双壳对日周期有很强的依赖性,这代表它的生长与光合作用有关。研究提出,这种蛤很可能与某种能进行光合作用的生物共生。这种现象类似于现生的砗磲,它会与虫黄藻共生——虫黄藻可以借助砗磲的外套膜有效觅食及繁殖,砗磲则可以拿虫黄藻当“小灶”,以维持巨大体型的消耗。

  英国公开大学(Open University)的退休教授,研究固着蛤的专家皮特·斯凯尔顿(Peter Skelton,并未参与本研究)评价道:“目前,关于固着蛤是否与光合生物共生的讨论只存在形态学证据。而这一发现,为这一猜测首次提供了有力的证据。”不过他也提醒,这一结论只适用于T。 sanchezi,并不能推广到其他固着蛤类。

  月亮正在远离我们

在地球历史上,一年的天数一直在减少,或者说,每天的时间在持续增加。这是因为月亮引力导致的潮汐摩擦力会使得地球的自转速度变慢,这也被称为“潮汐摩擦”。相对的,潮汐的拉动会使月球在其轨道上略微加速,因此在地球自转变慢的同时,月球的轨道也正在远离地球。通过月球表面的激光测量仪器,测得月球远离我们的速度目前约为每年3.82厘米。

  但科学家提出,在历史上,月球远离地球的速度并非保持不变。道理很简单——如果按照现有速度回推的话,那么14亿年前,月球应当在地球内部。显然,目前对月球年龄的推测远大于14亿年(普遍认为是45亿年)。而本文提到的这项研究,帮助我们了解了地月系统漫长演化历史中的一个瞬间。

  德温特及其同事表示,希望未来能将这一方法应用于更多、更古老的化石中。如果能够凭借类似方法,得知地球历史上每天时长的变化,或许能够帮助重建地月间距离变化过程,以及地月系统演化的历史。

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