【2018年物种日历】10月5日 光滑货币虫

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记得大学时有一阵,学校流行写“三行情书”,大家都憋足了劲儿要写出浪漫的句子。那时我也想小试牛刀,于是在海洋学课上憋了半天,最后写下了:

海和陆地曾在一起,
沙漠里的鱼化石,
就是爱过的证据。


海陆间的种种故事我们或许难以得知,但沧海桑田,总有见证者存在。今天的主角光滑货币虫就是一位见证者。


货币虫化石。图片:Patataasada / Flickr

自然界的艺术代言

光滑货币虫是一种已经灭绝的原生生物,它们曾经生活在中生代末期到新生代早期的特提斯洋温暖的浅海中。现在,它们留下的只剩那具盘成螺旋状的石灰质外壳了。

走进灭绝生物的世界似乎没那么简单。光滑货币虫隶属的有孔虫门(Foraminifera)还有许多现生种类,其中一些种类离我们并不遥远。我们或许可以通过货币虫的这些亲戚来了解它们。


各式各样的有孔虫外壳。图片:Psammophile / wikimedia

目前认为有孔虫共有约40000种,现生种约6000种。绝大多数有孔虫是生活在海洋中的单细胞动物,它们的身体大多十分渺小,有的如一粒沙子,有的只有几百微米。它们虽然渺小,但从赤道到两极、从潮间带到深海,海洋中的每一个角落几乎都有它们的身影。

拥有如此广阔分布范围的有孔虫想必不是等闲之辈。作为单细胞生物,它们演化出了不同的外壳来保护自己——有的拥有自己分泌的钙质坚硬外壳,有的则会分泌黏着物质,以黏着一些砂砾、云母或海绵骨针作为自己的外壳。


《自然界的艺术形态》一书中绘制的有孔虫。图片:Ernst Haeckel

按照生活方式,有孔虫可以分为浮游型和底栖型两类,大多数为底栖型。不论底栖还是浮游,有孔虫外壳上都布满了许多小孔,用来感受外界环境变化进行物质交换

外壳内,则包裹着它们的原生质。原生质可以通过壳壁上的孔向外伸展成为伪足,有孔虫的运动和摄食就是依靠这些伪足完成的。在伪足的帮助下,一些底栖型有孔虫每小时可完成数厘米的移动,这对个体微小的有孔虫来说已经很不容易了。


嗜温转轮虫Ammonia tepida是一种现生有孔虫,细丝是它伸出的伪足。图片:Safay / wikimedia

有孔虫主要以浮游生物、碎屑和细菌为食,它们在海洋食物网中处在一个较低的位置,但功劳不容小觑——据估算,个体渺小但数量庞大的有孔虫们每年对全球海洋有20%左右的碳酸钙贡献。

金字塔里也有它

在埃及,人们在金字塔、狮身人面像等著名古迹中发现了大量货币虫。建造金字塔的材料大部分是石灰石,少部分为花岗岩,每块巨石都至少有几吨重。这些古迹是如何被建造的?人们对此仍存在争论。

目前认为,金字塔所需要的石灰石是从附近的石灰石矿采集,运输至金字塔处搭建成的。不过法国工程师约瑟夫·达维多维茨(Joseph Davidovits)提出了新的观点,他认为建造金字塔的石灰石并非天然石,而是由人工浇筑的。这样一来就可以化整为零,建造金字塔时只需将搅拌好的石灰石浇筑模具中待其干燥即可。

这样的说法是否正确呢?


吉萨金字塔。图片:Ricardo Liberato / wikimedia

为验证达维多维茨的观点,考古物理学教授扬尼斯(Ioannis Liritzis)想到或许可以检测金字塔石灰石的成分来判断真伪,相关研究发表在2008年的《文化遗产杂志》(Journal of Cultural Heritage)上。

扬尼斯教授检测了埃及吉萨建筑样品的矿物学特征及化学成分。结果显示,未检测到浇筑必须采用的聚合物材料,且石灰石中的货币虫化石完整性较好,货币虫化石的分布与它们在海底中的堆积情况一致。这证明,建造金字塔所用的石灰石应该是天然形成而非人工浇筑的。


金字塔建筑材料中的货币虫化石。图片:Pierre Thomas

见证苍海桑田

记录金字塔等古迹的建造历史,只是以货币虫为代表的有孔虫们的贡献之一,它们能做的远不止这些。有孔虫演化速率快,且死后常能留下石灰质外壳,所以常被作为不同地质时期的指示生物


西班牙乌尔巴萨山脉(Urbasa)上的货币虫化石。图片:Theklan / wikimedia

有孔虫也能被用来重建海水温度。这是如何做到呢?其实大部分生活在海洋中的有孔虫都曾经受海洋环境的影响——在有孔虫生长过程中,它们吸收海水中的钙(Ca)、镁(Mg)等元素来构造它们的外壳。

通常来说,一定温度下,海水中的镁/钙比值是固定的。而实验证明,有孔虫外壳中的镁/钙比值会随着海水温度升高增加,这是因为镁离子置换碳酸钙中的钙离子是吸热过程——当温度升高,钙离子被镁离子置换得越多,外壳中的镁离子就越多。通过计算,我们可以得到不同镁/钙比值下海水的温度,再结合不同地层发现的有孔虫化石中镁、钙含量,我们就可以得出当时的海水温度。


有孔虫壳体Mg/Ca比值与温度的变化关系。图片:李建如 / 地球科学进展(2005)

除此之外,有孔虫们还“记载”了曾经发生过的气候变化。当有孔虫活着时,它们不断长大,并不断分泌新的碳酸钙壳体,这些壳体中就蕴含了记录气候变化的氧同位素18O16O

这两种同位素18O的质量比16O大,当海水蒸发时,质量较小的16O更容易被蒸发,而质量较大的18O更容易留在海中。蒸发的水汽在寒冷的冰期被留在冰盖中,所以冰期时海水中18O/16O比值较大;当气候变暖,冰川融化时,大量的冰川融水回到海中,18O/16O比值就会变小。

有孔虫壳体中蕴含的两种氧同位素比值与海水一致,当有孔虫死去,它们记录的气候变化便被埋藏起来。现在通过深海钻探,分析不同深度有孔虫壳体氧同位素的变化,就能重新推演过去的气候。


货币虫化石也是当地曾是海洋的证据之一。图片:Drow_male / wikimedia

如今,光滑货币虫早已走进历史长河,它与灭绝的和现生的有孔虫近亲,一直在记录着这颗星球的变化。地球冷暖,潮起潮落,有孔虫都能给我们答案。

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