走近叠层石探寻远古生命遗迹

苏德辰

前传——地球的诞生

图 1 许多在岩层表面显露的叠层石，上部凸出的部分已经被河水侵蚀殆尽，留下了许多不十分规则的同心花纹，这些花纹被许多户外爱好者称为天然油画

在主角登场之前，我们先了解一下地球的演化史。46亿年前，刚刚诞生的地球是由无数围绕太阳旋转的星际碎片在重力作用下吸积而成的，密度大的物质逐渐向中心聚集，相对较轻的物质则向外溢出，形成了原始的分层结构。这个重力调整过程本身会产生大量的热，加上当时还有持续不断的星际物质的加入，大小不等的陨石、陨冰不断撞击地球。强烈的撞击使得地球表面的温度达到千摄氏度以上，足够把一切物质熔化。因此，那个时候的地球表面还没有足够多的大气，几乎完全是由岩浆构成的一片火海。当时，如果有智慧生命恰巧从太空光顾地球的话，会发现地球既不是现在的蓝色水球，也不是8亿年～6亿年间的白色雪球，而是一颗耀眼的红色火球。

两三亿年之后，随着地球表面温度降低，地表上原始岩浆冷却固结，形成了原始的陆地，但此时地球上还没有海洋，因为地球表面的温度仍然很高，水分子只能以气态的形式躲在高高的大气圈中。此时的地球有了原始的岩石圈和原始的大气圈。

等到地球表面温度降到了100℃以下，大气中的水蒸气开始凝结并以雨水的形式降落到地表，在低洼处汇集，逐渐把大部分地表覆盖在水下，形成了原始的海洋。距今40亿年左右，比较完备的岩石圈、水圈和大气圈终于形成，但此时的大气中几乎没有氧气。

地球生物圈的缔造者——蓝细菌

距今40亿年～39亿年间，在太阳辐射、宇宙射线和雷电等因素的诱发下，原始海洋中出现了最基本的生命物质（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶），但这些生命物质并没有完整的细胞结构，还不是真正意义上的生物。

大约到了距今37亿年～35亿年，原始的生命物质在海洋中聚集并演化成了蓝细菌（早期的文献中多称为蓝藻或蓝绿藻）。蓝细菌具备了新陈代谢和自我复制等基本的生物特征，特别要提及的是，蓝细菌能够吸收阳光的能量，把水中的二氧化碳分子转化为自身生长需要的碳，同时向原始的海洋和大气中释放氧气。正是由于原始海洋中蓝细菌的大量繁殖，极大地改善了原始海洋和大氣中的环境，在经过十多亿年的时间，积攒到足够的氧气之后，才使得地球上生物大爆发。有的科学家推算，当今地球上21%的氧气来自蓝细菌的光合作用。

不仅如此，许多金属矿床，特别是海洋环境中形成的铁、铅锌、金、放射性铀矿等都与蓝细菌的大量出现有密切关系。所以说，把蓝细菌称为地球生物圈的缔造者一点也不过分。

占据地球历史30多亿年且又这么重要的生物，长什么样子呢？蓝细菌自从在地球上出现就一直存在着，它个体很小，没有骨骼，没有四肢，单一的个体几乎无法在海洋环境中生存，只能靠无数的蓝细菌“抱团”附着在海底的岩石上才能生长，它们具有很强的黏附能力，在生长过程中，会分解海水中的碳酸氢钙，然后把分解生成的碳酸钙微粒牢牢地吸附在海底，年复一年，就形成了极其薄的碳酸钙纹层。就这样，众多的蓝细菌先一起在海底的岩石表面形成极薄的堆积层，再一层一层向外增长扩张，最后被后期的沉积物埋藏，经过亿万年的地质变迁，形成了千姿百态但都具有纹层结构的岩石，这就是叠层石。现在，地球的环境已经发生了剧烈变化，蓝细菌也经历了多次兴衰更迭，在地球上所占的比重已经很小了，现代叠层石只有在澳大利亚的鲨鱼湾和美洲的巴哈马群岛等极少数海洋环境中还可以看到它们生长的样子（图2，图3，图4 ），图3中的叠层石需要至少2000～3000年的时间才能长成。

图 2 澳大利亚鲨鱼湾叠层石与地质学理查德·史密斯博士图 3 澳大利亚鲨鱼湾叠层石俯瞰（摄影 / 德鲁·巴雷特）图 4 巴哈马群岛正在生长中的叠层石（摄影 / 文森特·波里尔）

随着海洋中蓝细菌大量持续出现，海水和空气中的含氧量进一步提升。在距今20亿年～8亿年间为蓝细菌的高峰期，这个时期的地层中叠层石非常常见。由于叠层石产出的环境差异，导致叠层石形态各异，不仅有层状、柱状，还有锥状、球状、丘状、波状、树枝状等。而且，叠层石在形成过程中，不但吸附了海水中的钙质，还能吸附海水中的石英砂和铁质、磷质等矿物颗粒。由于吸附了不同的物质成分，因此，叠层石不仅形态多样，颜色也千差万别。

地层中出露的单个叠层石丘或叠层石柱可能其貌不扬，但是，由众多叠层石构成的群体图案则具备了迷人的特质，许多人把野外见到的叠层石景观称为石中石、天然岩画等。由于叠层石内部深浅不一、颜色各异的美妙纹理、变化丰富的形态特征，使得叠层石又有了一个新的用途——被人类用做观赏石（图5）。

图 5 叠层石标本左侧为中国地质博物馆馆藏标本，高约24 厘米，采自大连;右侧为作者在北京昌平的一条沟谷中发现，高约 60 厘米

野外的叠层石

太子墓村叠层石

叠层石在中国多个地区的古老地层中都有分布，从太行山、燕山、阴山、秦岭，到阿尔金山和神农架等地，距今十多亿年的中元古代地层中，都发现了不同特征的叠层石。其中，位于天津蓟县（现为天津市蓟州区）中元古代地层中的叠层石数量最多，类型最丰富且典型（图6），而今天我们将沿着109国道参观北京西山距今15亿年左右的岩层中保存的叠层石（路线及主要观测点如图7所示）。