天津薊縣距今約14.5億年前的分叉疊層石 | 露卡

一塊有雙名法學名的“石頭”

疊層石其實是一類生物沉積構造，它們可以是水平層狀、球狀、瘤狀或柱狀等各種各樣的形態，甚至有的長得像一堵牆，還有的可以長出像樹枝一樣的分叉。疊層石的大小也變化多端，最小的疊層石只有一個綠豆那麼大，最大的疊層石則可以長到數米高。兩百多年前，當疊層石第一次在地層中被發現的時候，這些具有複雜形態的鈣質體讓地質學家們充滿了困惑。如何研究這些形態多變的疊層石，它們又能如何讓我們瞭解遠古世界呢？

加拿大地質學家馬修（George Matthew）成為了第一個吃螃蟹的人，他在1890年首次使用生物學的雙名法，命名了一個北美地區元古宙（25億年～5.4億年）的分叉疊層石Archaeozoon acadiense。

產於懷俄明州的疊層石化石 | James St. John / Wikimedia Commons

使用生物雙名法給沉積構造命名這件事看起來似乎有些荒唐。但是雙名法的使用卻使得不同時代和不同地理位置的疊層石的對比研究成為可能，從此以後疊層石變得像其它的化石一樣，可以用來確定地質年代，也可以用來推測古生態環境。因此越來越多的科學家成為疊層石雙名法的使用者和捍衛者。至此，疊層石也就理直氣壯地成為使用“林奈雙名法”的冒牌物種啦！

微觀的生物古城

疊層石為何擁有可以比肩生物的多樣性呢？傳統意義上的化石往往是單一物種留在地層中的遺體或者遺蹟，但疊層石裡面並不是某一個“不情不願”被埋藏起來的生物物種，而是有一整個微生物的群落；不僅如此，疊層石本身就是這個生物群落的建造物，又因為生長在漫長地質歷史當中的不同時間和地點，而受到光照條件、水動力、氧化還原條件、鹽度、營養鹽和溫度等各種非生物因素影響。這是一個由億萬微生物建造起來的“龐貝古城”，是凝固了的歷史。如此想來，疊層石形態的豐富多彩，也就不難想象了。

15.5億年前的疊層石中的紋層結構和絲狀藍細菌化石 | 露卡

如果說疊層石化石是個“古城”，那麼形成過程中的疊層石可能更像一座層層加高的“巴別塔”。疊層石的英文stromatolite源自古代希臘語，就是指“層狀的（stromato-）石頭（-lite）”。今天，在地球上的很多地方，比如澳洲鯊魚灣或者巴哈馬群島的淺海中，仍有正在生長著的疊層石，和幾十億年前那些已然變成岩石的同類，看起來並沒有什麼太大的區別。它們的表面覆蓋著一層由微生物和微生物分泌的物質共同構成的席狀群落，也就是微生物席（microbial mat）。

西澳大利亞鯊魚灣的淺水中生長的現代疊層石 | Paul Harrison / Wikimedia Commons

微生物席本身就是明顯分層的，這個“巴別塔”的主要建造者無疑是藍細菌，大多數是形態簡單的球體和絲體。在陽光可以穿透的兩毫米厚的表層，大量藍細菌進行著光合作用，奮力向上生長鋪開，搶佔更多受光面積；更深處的藍細菌則往往已經停止生命活動，只有在之前瘋長中形成的絲體化石、光合作用產生的氧氣空泡等結構留存下來。除了“建築工”藍細菌外，在這些結構中還生活著一些“常住居民”，比如其它門類的化能自養菌。

日曆娘の小貼士

化能自養，簡單地說，就是用無機化合物（比如氨氣）反應釋放能量合成有機物作為食物的能力，像植物用水和二氧化碳製造有機物一樣，具有化能自養能力的細菌，是食物金字塔的基底，可以供養其他吃有機物的生物。

在現代疊層石的紋層裡，還常常可以見到一些不參與疊層石建設的外來分子，像是綠藻、真菌、甲藻的休眠孢、矽藻或動物的卵等等。微生物席表層的藍細菌不斷生長堆疊，而下層則逐漸被礦化作用固結成岩石，也就是疊層石。

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疊層石的建造過程受到周圍環境的直接影響，而很多環境因素有著不同尺度的週期性：小到晝夜更替四季興衰，大到以萬年為單位的海平面變化、地球自轉速度變化、太陽黑子變化，都會在疊層石的紋層中有所反映。於是，固結後的疊層石也就像樹木的年輪一樣擁有了明暗相間的紋層。

這些紋層不僅是疊層石的生長曆史，也是地球的編年史書，研究者們甚至可以透過研究微米級別的疊層石紋層，推斷出15億年前的一年有546天，而一個月相週期長達42天。紋層裡還儲存了許多微生物的遺蹟，比如節律性生長的藍細菌絲體化石，藍細菌逃逸或穿石的現象，藍細菌呼吸的氣泡等等。

藍細菌，又叫藍綠藻，屬於細菌的一類，可以進行光合作用 | oc. RNDr. Josef Reischig, CSc. / Wikimedia Commons

疊層石裡還可以儲存很多化石，比如上面提到的藍細菌化石，就在前寒武紀的許多疊層石中被報道過。由於疊層石的固結通常進行得非常迅速，成巖之後也很少發生劇烈的變形，因此，疊層石裡面的化石不但完好呈現了它們立體的形態，還可以展示出它們活著的生活習性。疊層石是最早出現的化石。從37億年前出現開始，在不斷沉積形成的地層中，上萬米的疊層石礁記錄著年復一年的地球變化。

寒武紀時期的疊層石 | James St. John / Wikimedia Commons

而藍細菌並不僅僅是一個靠建造石頭默默記錄歷史的“史官”，更是一個天翻地覆式的改造者——要知道在生命起源之初的長達10多億年裡，地球上是幾乎不含氧氣的。在世界各地的元古宙海洋裡，處於黃金時代的藍細菌建造起了巨厚的疊層石礁，將大量的有機質和二氧化碳固結到了岩石中，同時又釋放出了大量的氧氣。到新元古代末期，它們已經將一個還原性的大氣圈變成了一個氧化的大氣圈，為依賴氧氣的真核生物的崛起鋪平了道路。

後世動物的崛起，都要感謝“事了拂衣去”的疊層石 | Leo Wehrli / Wikimedia Commons

然而，隨著真核生物的崛起，疊層石不可避免的被擾動，被取食，因此也逐漸衰落。進入顯生宙（5.4億年前至今）之後，大多時代的地層裡已經很難找到疊層石了。有趣的是，在每一次生物大滅絕事件之後，疊層石都會有一次小小的復甦。而在現代的地球上，疊層石也大多生長在不適合真核生物生活的環境裡，成為了處江湖之遠的“隱士”。

藍細菌建造的疊層石記錄了很多，也改變了很多。人類建造的巴別塔並沒能登天，而藍細菌對陽光的億萬年追求卻最終改變了世界；而這個過程似乎又導致了藍細菌自己的衰落，彷彿是用自身的興衰史很好地演繹了美狄亞假說——“生物都有自我毀滅的傾向”。

生物的歷史，也是一部毀滅的歷史 | Agsftw / Wikimedia Commons

“以史為鑑，可以知興替”，藍細菌創造歷史、記錄歷史，也成為了歷史的一部分，我們人類又會在地質歷史上寫下怎樣一筆呢？