叠层石——生命从不孤独

叠层石最初形成于单细胞的能进行光合作用的微生物——蓝藻细菌一层一层地生长,记录了地球古老的生命。地衣叠层石揭示了这些层状岩石的形成机制是:在水面之上,岩石遇到了水,因其上内生地衣的不断繁殖而形成层状的岩石结构。

在古老的前寒武纪,漫漫汪洋中产生了许多沉积建造,最旺盛而美丽的,莫过于叠层石了。


叠层石——生命从不孤独

西澳大利亚Pilbara克拉通的叠层石

叠层石的英文名是“Stromatolites”或者“Stromatoliths”,词根来源于希腊语,指示了一类层状、柱状以及席状的沉积岩。叠层石最初形成于单细胞的能进行光合作用的微生物——蓝藻细菌一层一层地生长,记录了地球古老的生命。

地衣叠层石揭示了这些层状岩石的形成机制是:在水面之上,岩石遇到了水,因其上内生地衣的不断繁殖而形成层状的岩石结构。


叠层石——生命从不孤独

西澳大利亚鲨鱼湾的现代叠层石

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叠层石的形态

叠层石是由微生物特别是蓝藻的生物膜(微生物席)捕获、结合或胶结沉积颗粒而在浅水中形成的层状生物化学增生结构。叠层石的形态是多种多样的,包括圆锥状的、层状的、枝状的、圆顶状的和圆柱状的。叠层石作为前寒武纪的化石记录是广泛分布的,然而在现今却很稀少。古代叠层石中很少的一部分含有微生物化石,有一些叠层石的特征显示了具有生物活性,另一些更可能是非生物沉淀的结果。


叠层石——生命从不孤独

叠层石的形态


爱沙尼亚的叠层石

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叠层石的形成

实验室环境中的现代微生物席形成随时间推移的摄影给出了蓝藻在叠层石中行为的一些揭示线索。暴露于局部光束的蓝细菌向光线移动或增加其光合产量,这是其生存所必需的本能。向发光区域聚集的运动使蓝细菌能够寻找光源来保持菌落繁荣。在光照和黑暗条件下,蓝细菌形成团块然后向外扩展,个体成员通过长卷须保持与菌落连接。因此,这些复杂的结构由微观生物构成,它们在一定程度上协同工作,是一种为恶劣环境提供遮蔽和保护的手段。


现生蓝藻细菌-Tolypothrix sp.(单歧藻属)

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叠层石化石记录

一些太古代岩层与现代微生物结构具有宏观相似性,因而这些被称为叠层石的沉积岩具有的结构可能代表古老生命存在的证据。然而,有些人认为这些结构是天然沉积或其他非生物成因而成。但在叠层石薄层中的文石纳米晶体(现今叠层石亦有此特征)里存在有机小球簇,科学家们因而认为叠层石是生物成因的,并且可以通过推断其生物信号而研究环境的改变。


纽约寒武纪叠层石

叠层石是地球上第一种主要的化石记录的生命形式。它们在大约12.5亿年前达到顶峰,随后丰度和多样性都在减少,在寒武纪开始时它们已降至其峰值的20%。下降的原因可能是叠层石建造者——蓝藻细菌被捕食者收割(寒武纪基质革命),这个理论意味着足够复杂的生物体在10亿年前是常见的。另一个假设是像有孔虫这样的原生动物导致了叠层石的减少。



美国Montana州冰川国家公园的叠层石

奥陶纪进化辐射充分证明了捕食者与叠层石丰度之间的联系。奥陶纪末和二叠纪末大量的海洋动物灭绝,叠层石丰度增加;而随着海洋动物的恢复,它们回落到早期水平。后生动物种群和多样性的波动以及环境的变化都可能是叠层石丰度变化的原因。


澳大利亚27亿年前的叠层石

虽然原核蓝细菌通过细胞分裂无性繁殖,但它们有助于更复杂真核生物的进化发展启动环境。蓝藻被认为是通过持续光合作用增加原始地球大气中氧气含量的主要原因,它利用水、二氧化碳和阳光来营造食物。在蓝藻细胞席上经常形成一层粘液。在现代微生物席中,来自周围栖息地的碎屑可能被困在粘液内,粘液可以通过碳酸钙粘合在一起,长出薄层的灰岩。这些叠层会随着时间的推移而增加,形成其共有的带状图案。生物叠层石的形态是由于太阳光持续渗透到生物体进行光合作用所必需的垂直生长的结果。



中澳大利亚燧石岩中两类蓝藻化石

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现代叠层石的产生

现代的叠层石主要存在于超咸水湖泊和海洋泻湖中,由于高盐水平导致的极端条件少有捕食者出现。典型的现代叠层石发现地是西澳大利亚州鲨鱼湾的哈默林池海洋自然保护区、智利的Pampa del Tamarugal国家保护区和巴西的Lagoa Salgada(“咸湖”)。墨西哥沙漠中独特生态系统CuatroCiénegas的盐水中以及东方盆地的玛奇湖Alchichica湖中可以见到内陆叠层石。开放海洋环境中叠层石繁荣的地方只有巴哈马的埃克苏马海湾。


西澳大利亚Thetis湖的叠层石



巴哈马埃克苏马海湾的叠层石


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现代淡水中的叠层石

墨西哥南部尤卡坦半岛的Laguna Bacalar有大量活的巨型微生物(即叠层石或凝块岩)。土耳其南部的萨尔达湖中发现了淡水叠层石,其水富含镁,叠层石结构由水菱镁矿形成。淡水和人造环境的叠层石在加拿大也有发现。一种非常罕见的非湖泊叠层石存在于澳大利亚新南威尔士州Jenolan Caves中。蓝藻生活在石灰岩的表面,依赖富含钙的滴水生存,向洞穴的两个开口端生长,获得光线。


澳大利亚Jenolan Caves中的叠层石


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我国的叠层石

现我国最著名的叠层石产地是天津蓟县国家地质公园,那里叠层石从长城系团山子组到青白口系下马岭组均有。我国北方很多地方都分布有中新元古代的沉积岩,那里都有可能找到叠层石,如北京的房山区的西部,昌平的南口。近年来,重庆酉阳附近发现了面积约1.8平方千米的寒武纪叠层石。



北京延庆蓟县系叠层石@吴远翔

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在叠层石繁盛的时代里,地球的大气层非常稀薄,太阳光线昏暗,地球的旋转速度非常快,因而白天很短黑夜却漫漫无止境。那时候,唯一的生命形式就是单细胞的微生物。成片的蓝藻趋向光明和温暖而生,彼此如藤蔓般纠缠成席,与岩石为伴,留下永恒的记录。

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