每年都有多少天年有多少个

转眼间，2020年的余额已经所剩无几，尤其是今年，给人的感觉是过得好快，仿佛又从去年冬天走到了今年冬天。但是，面对成堆的科研压力和满地的头发，我总是希望时间在年底慢慢过去，让我们一年多过几个月。早在5亿多年前的寒武纪，一年就有424天！和今天相比，多了两个月，每天的长度都缩短了。这个惊人的发现是通过对古生物学的观察得出的。
生长习性是指生物与环境长期相互作用形成的生活习性和生态习性。生态习性是生物的固有属性，生活习性是生物能够很好生存的生存环境。所以生物习性的变化很大程度上可以反映环境的演变，这种方法应用到古生物学上会发挥巨大的作用。生物的生长离不开生存环境的制约，地球自转、公转、气候变化、四季交替等变化都会对生物产生周期性的影响。
有树的年轮和节。生物的不同习性可以记录复杂的环境变化，不同的环境变化也可以在生物身上留下深刻的记录。很多生物表面都有类似于“树轮”的记录，清晰地记录着地质历史的变迁。早在90年前，马廷英(1933)就注意到珊瑚的生长线反映了海水温度的季节变化。他发现远离赤道的珊瑚在结构上更明显地反映了季节变化，这在古生物学研究环境演变方面起到了开拓性的作用。直到20世纪70年代，化石时间记录的研究被尹赞勋院士定义为“古生物钟”，用于探索地球环境的记录。这个名字得到了学术界的一致认可。下面，就带大家了解一下，人们是如何认识古生物钟的，又是如何通过古生物钟解决地球演化这一惊天大案的。
01
古代生物钟
植物开花结果，动物从冬眠中醒来，自然界中的生物总是在按部就班地进行着生物活动，就像完成自己的使命一样。就好像每个生物的心里都有一个永恒的时钟，时刻提醒你在这个季节该做些什么。当这些生长活动反映到生物身上时，可能会有周期性的痕迹，像树的年轮。这种痕迹被称为生物钟。
树木的年轮
树木年轮和气候变化
深海中的现代单珊瑚
古生物化石也有生长周期的痕迹。这些生长痕迹随着生物变成化石而完整保存下来，这些痕迹被称为“古老的生物钟” 。古老的生物钟记录了当时这些生物的生长信息，为我们解读地质历史中环境的演变提供了重要依据。珊瑚化石通常保存完好。和现代珊瑚一样，珊瑚对海水环境有着严格的要求，其生长很容易受到环境变化的影响。因此，人们经常利用开发珊瑚化石来试图恢复古气候带。而且珊瑚的生长线层具有周期性规律，能反映季节变化，具有与树木年轮相似的特征。因此，珊瑚也被称为“海树年轮” 。而且珊瑚早在奥陶纪就出现了，而且发展很快，化石往往保存完好。因此，珊瑚往往是研究地球历史环境变迁的有用工具。对珊瑚化石的研究甚至解决了连物理学家都不明白的地球自转问题。
整体珊瑚化石
桑里奇板块珊瑚化石
02
地球自转之谜
众所周知，地球每绕太阳一周，经历365个日夜。准确的说，一个恒星年在6: 9: 10是365天，从人类有时间记录以来，每年都是如此。然而，随着科学研究的深入，从18世纪开始，地球物理学家和天文历史学家逐渐发现了问题。
通过对月球绕地球公转的长期观测，发现月球公转速度越来越快，加速度较慢。起初，人们认为这种缓慢加速有两个原因。一个是月球本身的加速，或者地球的缓慢旋转。拉普拉斯认为月球的加速度是由于太阳对月球轨道偏心率的作用，使得月球在黄经经度上有一个加速度，从而产生长周期摄动。也有人认为地球自转变慢是因为长期太阳潮汐的摩擦。一时间众说纷纭，没有定论，这场争论一直持续到20世纪。通过300多年对一天长度的精确记录和分析，发现每过一百年，每天都会增加1.6毫秒。按照这个增长率，12亿年前，一天只有18.8个小时。也说明地球的自转速率在逐渐降低。
随着地球变老，她转得越来越慢。但是没有物理学家能拿出准确的证据来证明这一现象。
03
珊瑚告诉了我们一切。
当天文学家和地球物理学家面临这个问题，无法证明的时候，古生物学家用珊瑚化石出面，打破了这个困境。
1963年，威尔斯在《自然》杂志上发表了一篇重要文章。他发现现代珊瑚中一年大约会生长出360条细细的生长线，并指出这些生长线实际上可能是日常生长周期的标志。威尔斯还研究了保存完好的泥盆纪和石炭纪标本。他发现石炭纪珊瑚的年生长线为385-390圈，而泥盆纪珊瑚的年生长线约为400圈(385-410之间) 。这大致等于用天文方法得出的每个地质时期的天数。据计算，寒武纪一昼夜需要20.8小时，泥盆纪21.6小时，石炭纪21.8小时，三叠纪22.4小时。白垩纪23.5小时。现在是一天24小时。如果知道了每年天数的变化，就可以用观察化石的生长线得到的每年天数来确定它的地质年代。这篇文章一经发表，就引起了天文、地球物理、地质等领域学者的一致好评，实际上证明了地球自转在逐渐变慢，日长在增加的事实。
【每年都有多少天年有多少个】珊瑚生长线研究(威尔斯，1963年)
威尔斯把古生物估算和同位素测年结果结合起来做了下面这张图，结果正好符合天文学计算的每年天数的演变！
然后，在1965年，Scrutton讨论了珊瑚化石生长脊的意义。太阴月是指一个月的周期，代表一个潮汐变化，反映在海水环境中，作用于珊瑚生长结构。每个农历月，珊瑚都会长出一条沟带，每个春秋都会长出一条脊。所以Scrutton在一个中泥盆世的好珊瑚标本中发现，在两个凸起的脊之间正好有13个沟带，这意味着一年有13个月，这与计算值完全一致。中泥盆世一年有13.04个月，399天。
除了珊瑚，很多化石也有明显的生长线。
比如双壳类，贝壳上有明显的生长线。由于20世纪50年代两次核爆炸的放射性条件，Bonham(1965)在太平洋比基尼岛附近的砗磲剖面上发现了两个生长层。在随后的研究中，通过刻痕标记的方法，发现了双壳有节律生长的规律。可惜双壳在闭合时会阻碍壳的生长，所以无法通过双壳的生长线准确判断过去时间的变化。
双壳生长线
头足类有更明显的生物线。鹦鹉螺是典型的头足类动物。它从4亿年前的奥陶纪就存在了，现在的印度洋-西太平洋珊瑚礁海域还存在活着的个体，所以可以和过去的样本进行对比。现代鹦鹉螺壳中每两个横膈膜之间的生长线数量基本相同，平均30条，与太阴月(29.53)基本一致。通过对比奥陶纪以来鹦鹉螺壳中生长线数量的变化，也发现每个月的生长线数量都处于一个不稳定的递减过程，这也说明地球的自转速度在变慢。此外，菊石、角石、箭石等已灭绝的头足类也在生长线上发育良好。通过对古生物钟和生长线的研究，研究人员还总结了奥陶纪以来地月参数的变化，得出月球离地球很远的结论。
但最新的研究认为鹦鹉螺等动物的条纹不能反映环境的周期性变化。通过现代实验室对鹦鹉螺养殖的观察，发现鹦鹉螺的各个气室并不是同时生长的，随着气室的增多，生长时间会变长。比如生长初期，鹦鹉螺形成一个洞只需要2周左右，而最后几个洞的形成需要6个月。而鹦鹉螺贝壳上的条状螺纹只是装饰性的，与周期性变化无关，所以头足类的生长线条对于判断一年中的天数并没有太大的用处。
现代鹦鹉螺
鹦鹉螺壳部分
菊花化石切片
四川条状角岩剖面
04
叠层石延续了这个传说
尽管许多生物的生长线对研究每年的天数并没有起到积极的作用，但人们对古生物钟的研究并没有停止，中国古生物学家从此发挥了关键作用。
元古代广泛分布的叠层石是极其有力的工具。在中国北方前寒武纪碳酸盐岩地层中经常发现具有层状结构的岩石，这是一类由原始藻类连续胶结沉积而成的具有层理的化石。一层层规则生长的叠层石，像书画一样记录着数十亿年前的前寒武纪环境变迁。至今，澳大利亚鲨鱼湾仍有叠层石继续生长。这些藻类早在38亿年前就出现了。Pannella(1972)首先肯定了叠层石的古生物钟功能。由于叠层石结构复杂，很难区分哪些是每日变化层，哪些是每月变化层。叠层石有日生长线，才能判断古代日平均长度。通过对比现代藻类与古代藻类的生长规律，发现叠层石具有日节律性。于是Pannella通过仔细观察，将叠层石的生长线分为五级。
澳大利亚鲨鱼湾叠层石
叠层石的生长线分类
随后，曹瑞吉(1991)在天津蓟县雾迷山组发现一处礁体，藻席伪裸甲藻叠层石交替生长，发现叠层石指示日、月、季三级旋回，首次估算12亿年前地球上的月天数为40~49天。据此，天津地质矿产研究所通过对五台山地区沉积岩的研究推断，五台山的滹沱群平均沉积期为每年460多天。曹瑞吉对周口店地区铁岭组叠层石的研究和天津地质矿产研究所朱世兴、黄学光教授对天津蓟县雾迷山组叠层石C、O同位素值的测定表明，十亿年前，地球一年至少有516±20天和12.9±0.5个月，一个月有40多天，一天只有16.99±0.66个小时。由于叠层石的年代，对各年长度的判断延伸到了前寒武纪，极大地促进了古生物钟的发展。
具有良好叠层石的生长线
类似的古代生物钟还有很多值得探索。但由于样品数量和年代的原因，不适合研究地质历史中每年天数的变化，但仍具有重要的古环境意义。比如生物牙齿的横切面，鲨鱼的脊椎切面，海龟的甲壳生长线，有角生物的切面，腕足动物的贝壳饰品等。都能看到一层层生长的痕迹。这些生物钟不仅记录了这些生物的生命历程，也见证了地球环境的变迁。也许这些个体生命反应的变化是轻微的或无规律的，但积累的记录，从量变到质变，可以清晰地展现出前寒武纪有生命以来，地球想要告诉我们的一切。
一些生物生长线
05
一些猜想
关于古生物钟能否记录地质环境的变化，目前还存在一些争论。有些人坚持内源性理论，即某些生物是以类似时钟的周期遗传的，不受外界影响(如生物周期理论) 。外生论坚持认为，生物学可以像一个带弦的钟。主要原因是受到外界节律信号的刺激。温度、湿度和地球自转是信号的来源。虽然大量的事实和统计数据支持了外生说的一面，但是古生物钟的科学成因仍然是古生物学家努力的方向。
基于对地球自转速率变化的推导，不难得出地球自转越来越慢的事实，但如果把时间推回去，试图讨论12亿年前地球的特征，就会发现一件可怕的事情。因为每年的天数和时间有很好的线性关系，所以在地球形成初期，地球的自转速度可能非常非常快，甚至可能一天只需要4个小时，一年就有2190天！另一件可怕的事情是，如果把计算好的时间延长到未来，我们会发现，地球总有一天会进入暮年，她将不再能够自由旋转，成为一个只围着太阳转的自理女人。当地球被太阳的潮汐锁定定位后，就停止了旋转，一边永远是极地，另一边永远是干热！到那时，可能需要100多个小时，生物的作息规律也会发现剧烈的变化，每个人的工作时间都会被无情地延长几倍(当然，那时人类可能已经找到了新的栖息地……) 。当然，这些假设都是虚幻的，前提条件很多。比如我们经常认为地球公转的持续时间是一定的，太阳的性质从来没有改变过等等。，会造成一些估算误差。其实46亿年是一个极其漫长的过程，很多变量目前很难猜测。
为什么地球自转越来越慢？此事尚无定论。很多人认为可能是由于太阳潮汐对地球的长期摩擦，使得地球不断减速；有人认为地球是随着自身能量的消耗而衰老的；也有人认为，由于地幔最深处钙钛矿的电导率差异，地球自转速度呈周期性变化，每十年增加或减少3/1000至4/1000秒。但是没有定论。对于地球，甚至仅仅是自然界，还有很多人类无法解决的未知，需要更多的地球科学家不断努力，去解开更多一个又一个的秘密。
资料来源:中国科学院高能研究所

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