帶你玩穿越的微米級時光機器

Storyteller/Ruei

這是來自新竹地區卓蘭層的超微化石阿肥(學名:Braarudosphaera bigelowi ),當初在拍攝時,真心覺得它真的很肥,塞滿了整個顯微鏡視野,不過大小仍然是正常範疇。(照片來源:Ruei)

微體化石一直都是地球科學研究上非常好用的定年工具,科學家發現化石可用於判斷地層的地質年代,藉由重建已消逝的時間,那些藏在地層中的事件可以被逐一釐清,就如同進行一段時光之旅,將我們觀察到過去發生的事情都按照先後順序串連起來。雖然化石都可以有上述的用途,但為何要選用微體化石呢?

微體化石包含如有孔蟲、放射蟲、矽藻、超微化石等等,單用肉眼是無法辨識它的形狀及特徵,需要在顯微鏡下才能鑑定品種。雖然體型微小是一種麻煩,但正因為是小生物,反而具有許多優點,容我稍後提起。而超微化石更小至微米級,它幫助我們將地層切割出許多超微化石帶,使得對過去時間的判斷更加精確。優異的特性讓超微化石成為地層研究與對比上的絕佳工具之一,探勘資源的石油公司最喜歡使用,並紛紛成立研究室,此後超微化石的研究自成一門學問,稱為超微體古生物學,也因此得以蓬勃發展。

 

細緻精美的鈣質小盤片

圖一、上圖為高倍率偏光顯微鏡下看到的球石,是Gephyrocapsa屬的化石,中間有一條明顯的連接橋梁是其特徵(照片來源:Ruei)。下圖為一個球石尚未散開的球石殼,這是Gephyrocapsa oceanica在電子顯微鏡下的影像,在盤片內有兩個相接的棒子,可與圖一互相對照(圖片來源:維基百科)。

德國科學Ehrenberg在西元1836年用光學顯微鏡觀察地層中的沉積物顆粒時,意外發現許多形狀特異的鈣質小盤片,他認為這應該是非生物,也就是無機形成的,並將之命名為Crystalloids。後來在海洋科學調查上,科學家發現海底軟泥中也有這樣的小盤片,他們叫它做Coccolith(球石)(圖一上),另外一些科學家在北大西洋的海底沉積物中發現了一些不同於一般沉積物的球型小物,他們稱之為Coccosphere(球石殼)(圖一下)。經過一番研究與比對,科學家認為Crystalloids其實就是球石,而球石殼則是由球石所拼裝成的,就像市面上販售的球型立體拼圖一樣,拼圖片是球石,最後拼出來的地球儀則是球石殼。

Sorby這位科學家對英國的白堊進行詳細的研究,發現球石應該是有機生物體所製造出來的外骨骼,最後在十九世紀末的科學研究中,一切終於真相大白,原來球石是浮游生物的殼體。現在科學家已經發現到這個大小約在2~20μm的鈣質小盤片是一些單細胞藻類的重裝盔甲,而這些盔甲除了是小圓盤形狀,還有各種造型:五邊形、角形、棒槌形、星形等等。當藻類死亡後,盔甲可能被完整的保留下來,如球石殼,也可能會在下沉的過程中散開,如球石。(P.S. Coccolith也有人稱為鈣板)

 

 

化石等於時間?

古生物學家利用化石出現的先後順序、誕生時間、滅絕時間來區分許多地質年代。但使用化石來進行時間回溯有一個很重要的假設,那就是地層學之父史密斯所提出的化石連續定律沒有錯誤。史密斯觀察英國的地層,發現不同地層有不同化石群,化石群彼此的先後順序是有關聯的,這其實與物種演化不可逆的這個理論不謀而合,大自然持續演化出新的物種,物種一旦滅絕就不會再度出現,化石也有先後順序,消失後就不再出現於地層紀錄中,正因為如此我們才能拿來應用在關於時間的問題上。用突變造成DNA變異的觀點來看,就機率上來說很難將DNA的排列回復到原祖先的狀態,幾乎。從上述看來,廣義上勉強可以將化石與物種畫上等號,問題來了,超微化石其實是單細胞藻類的防禦盔甲,算是一種功能性的產物,並不是物種,這樣產物的形貌可以在時間洪流中重覆出現嗎?那會導致研究上的重大失誤嗎?

 

化石並不一定是一個物種,例如超微化石、牙形石都是某種生物的部分殘骸,生痕化石是生物留下來的活動痕跡,不同種生物留下來的痕跡很可能被取名為同一種生痕化石名稱,而糞化石更不可能是生物了。

 

答案是不會的,球石的功能都是一樣,而形狀上的差異是生物多樣性問題,超微化石在地質應用上不太可能會遭遇到這類問題,絕大部分仍然按照”特定物種製造出特定形貌的球石”規則走,因此幾乎沒有兩種不同的物種出現一模一樣的球石。但有些科學家認為這些物種具有多形性(Polymorphism),也就是它一個人可以製造出兩種類型以上的盔甲來裝備自己,而我們卻將在同一生物上兩種不同的球石用不同的學名稱呼它,由此可知化石種其實並不完全等同於物種。

 

圖二、趨同演化以翅膀為例,1.為翼龍、2.為蝙蝠、3.為鳥類,可以看到翼龍是小拇指骨特化延伸變長,蝙蝠是四指指骨做為翼面,鳥類則是整個臂膀(圖片來源:維基百科)。

順帶一提,前面問題所提及的:「相同功能的產物出現在地球歷史不同的時間點」這種狀況是有可能發生的,我們稱為趨同演化,雖然具有同樣功能,但是演化而來器官卻不同。鳥類、翼手龍(爬蟲類)、蝙蝠(哺乳類)的翅膀是一個非常好的例子(圖二),不同時間誕生而且種類不同的物種,演化出讓身體飛翔於空中的器官:翅膀。雖然這些翅膀的功能相同,但形貌與形成來源卻不相同,我們依然可以區分出哪個骨骼是誰的翅膀。魚類、魚龍(爬蟲類)、鯨豚(哺乳類)的扁平尾巴也是一個不錯的例子,從骨骼去比較可以看出做為尾巴所用的部位並不相同。

 

地質應用上的特性

超微化石具有以下特性,而你可以發現到這與指標化石(Index Fossils)的特徵:數量多、分佈廣、演化速率快、存在時間短、容易辨識有點類似。

 

1.產量豐富、分佈廣:這會成為優點的原因其實顯而易見,量越多越容易找到。單細胞藻類多位於食物鏈底層,數量自然會非常多,一般來說,一立方公分的大洋鈣質軟泥中約含有1012個超微化石,即使在大陸棚上的沉積物亦可找到數千至數萬個。能在全球分佈越廣泛的物種,越好用於探索時間,能讓我們容易在不同地區的地層中找到並進行比對。

 

 想要找到超微化石,就要尋找沉積時環境能量最低的頁岩或泥岩,在砂岩中難以找到超微化石,因為它實在是太小了,輕微的擾動就會阻止它沉積。

 

2.使用簡單:體型小,採集容易,不易被人為毀損,即使鑽井的岩屑跟岩心也可以看見完整的化石。幾公克的岩樣即可製作成薄片觀察,從製作、觀察、分析鑑種到最後得到結論,整段過程比起做放射性定年來得快且簡單,成本低、容易上手又不失準確性。多數化石鑑定使用偏光顯微鏡即可,但有部分光學性質及形貌相似的化石種需要用電子顯微鏡才能分辨出來。

3.演化快速:通常小生物的化石比起大型複雜的動物更容易用來切割時間,小生物出現下一代的時間較短,例如人類從出生到性成熟約15年,而昆蟲要在不到一年的生命週期內完成繁衍後代這件任務,有些菌類更是不到一天。短周期的生命,意味著演化這個齒輪轉動得也比較快,更容易出現新物種。新物種的誕生及舊物種的滅絕時間點常用來作為化石帶的劃分界線,界線越多切割的時間越多,也就可以更精確地了解過去的時間。

但當然超微化石也有些顯著的缺點,例如越古老的鈣質殼體越難保留,越老越有機會受到變質、深埋、構造等因素影響,導致殼體被溶解再結晶、白雲岩化等,使得殼體消失或變得難以分辨。現今發現最早的鈣質超微化石約是在侏儸紀,比起中生代,新生代的超微化石更豐富,保存更良好,因此超微化石適用於年輕的地層。

 

古生物學家創造時間傳送點

有了可以回溯時間的超微化石還不夠,必須建立傳送點才能到對的時間,要如何才能做出時間區隔呢?答案是建立超微化石帶。古生物學家仔細的檢視不同的化石種在地層紀錄中的消長,每一種物種都歷經誕生、消長、滅絕等階段,在地層紀錄中,新物種出現的層位稱為始現面(First Appearance Datum),物種滅絕之後完全消失的層位稱為末現面(Last Appearance Datum)。古生物學家藉由不同化石的始現面與末現面作為基準面(界線)劃分出一個個區間,基準面的建立最好是採用廣泛分佈全球的物種,而每段區間裡會有特定的化石群作為輔助,古生物學家將每一個區間稱為一個超微化石帶。Gartner在1969年建立了新生代的超微化石帶,而Martini將上述成果在進行研究,並選擇一些能使用偏光顯微鏡簡單鑑種的化石作為基準面,將新生代古近紀(Paleogene)分成25個化石帶(NP zone),新近紀(Neogene)及第四紀(Quaternary)分成21個化石帶(NN zone),成為現在全球通用的生物地層之一。

 

不只Martini建立超微化石帶,Okada和Bukry也建立了亞熱帶地區的超微化石帶(CP、CN zone)

 

時間傳送點這樣就建立好了,差別只在於可以前往多少個不同的時間點,大家當然會希望越精細越好。劃分好的超微化石帶並不能幫助我們知道絕對時間,它是一個相對時間的概念,我們只能藉此對比不同地區的地層層位上下關係。因此有些科學家便開始著手於綜合的磁生物地層年代表,裡頭包含了磁地層、有孔蟲、超微化石以及絕對時間彼此之間的對比。

世界性的化石帶建立好了,緊接著就是不同地區的地層去跟這個建立好的時間做對比,由於同一個時間不同地區的沉積環境不相同,堆積出來的沉積地層岩性也不會相同,就像小小的台灣島在更新世時,北部、南部及東部的岩性差異就很大,而我們可以去採集地層中的岩樣進行超微化石分析,將北、南、東的地層對比起來,這就是地質學家將超微化石應用地質研究的方式之一。於是沒有出露的地下岩層,也可以藉由鑽井採樣分出化石帶;受到斷層錯動造成落差的兩側地層也可以用化石進行對比;石油公司在進行地層層序分析時,也往往需要超微化石做時間上的控制。超微化石雖然看似渺小,但它對人類進步的貢獻卻很大,對吧!

 

參考資料:

紀文榮(1981)超微化石,中國石油探採研究中心

Bolli, H. M., et al(1985)Plankton Stratigraphy, Cambridge Earth Science

 

延伸閱讀:

吳榮章、紀文榮(2011)微體化石與石油探勘,科學發展

超微及微體古生物學》─ 中國科普博覽網站