如何判斷化石有多古老?

9月3日消息,據媒體報導,14700年前,舊石器時代的獵人曾在如今的墨西哥設下陷阱、捕捉猛獁象;5.5億年前,一頭不知名的海洋生物曾在沙地上留下了自己的足跡;16萬年前,神秘的丹尼索瓦人來到了南亞地區;8000萬年前,一頭恐龍產下了一枚蛋,但並未孵化。

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如何判斷化石有多古老?

確定這些化石的年齡可以幫助我們判斷其所屬的時期、進行正確的時間排序。假如沒有了這項技能,考古學家和古生物學家都會變得茫然無措。但我們這些普通人要麼將這項本領視作理所當然,要麼對其一知半解。在本文中,我們將向你介紹一些化石年齡的測定方法。

如果沒有現代測年技術的加持,地球歷史上的許多重要時刻都將不為人知。當然,科學家可以看出這些猛獁象的骨頭、石灰岩中銘刻的線條、以及奇特的人類下顎骨都非常古老,但如果無法得知它們的准確年齡,這種判斷也就毫無意義了。測不出精確的年齡,科學家就無法將這些化石放在特定的進化或地質學背景下進行考察、或是開展對比分析,其它重現遠古歷史的任務也根本無法完成。

從認識論角度來看,化石年代的測定同樣具有重要意義。《聖經》的信奉者們簡稱,地球年齡只有6000歲。而根據現代測年技術,這種言論簡直大錯特錯。可以毫不夸張地說,精確的化石年代測定可以讓我們真正認識自身、以及了解自己在宇宙中的位置。

找到正確的化石

早從數百年前開始,科學家就在嘗試判定化石年齡了。如今,各種化石測年技術與方法已經相當先進。當然,這並不意味著這個過程輕而易舉、毫無挑戰,並且這些技術依然有進步空間。

化石測年的第一步是,確保研究對象真的是一塊化石。這話聽著奇怪,但其實不無道理。因為許多被送到科學家那里分析的東西其實並不是化石,只是長得和化石很像而已。

「這些東西可能只是岩石上的刻痕、石頭上不均勻的侵蝕痕跡、或者岩石上某種『長相奇特』的礦物質,顯得它仿佛曾經有過生命一樣。」因斯布魯克大學地質學家與雷射斷代專家麥可·梅耶解釋道,「因為許多人並不清楚化石是如何形成的,而且人類總是傾向於『辨認出』自己認識的形狀,所以總有人以為自己發現的石頭也許是一塊化石。」

曾有人給梅耶送去過一些所謂的「足部」和「鴨子」化石,但最終證明,這些只是長相奇特的石塊而已。至於哪些東西可以算作化石,梅耶給出了兩種比較寬泛的定義:化石可以是過去生命留下的任何痕跡,一般是變為石塊的有機質;或者只要是古代生命留下的任何跡象即可。

加州理工學院人類學家布里吉特·艾利克斯表示,研究人員有時會找錯斷代的對象。例如,考古學家可能想弄清一座古代城市被毀滅的具體時間,於是對遺址中發現的一些燒焦的木炭或骨骼進行了斷代分析,但這些東西並不一定與城市的毀滅直接相關。或者說,考古學家想測定一塊尼安德特人骨骼的年齡,結果錯拿了附近一頭動物的骨頭,而這頭動物「也許是在多年之後才誤入岩洞、死在了這里的,與尼安德特人沒有一點關系。」艾利克斯強調,「找到能夠解答你的問題的正確化石」,是一項重大挑戰。

幸運的是,「幾乎任何東西都可以進行年代測定,但時間、資金、以及發現化石的環境,都是阻礙化石斷代的最大問題。」梅耶指出,「因為給化石斷代是一項非常繁重的工作。」

在原始環境中發現的化石是最容易斷代的,因為化石本身、以及化石周圍的信息量都很充足。相比之下,在其它環境中發現的化石(比如一枚在井下埋藏了85年、但真實年齡足有14萬年的頭骨)則難以進行年代測定、並且成本高昂。至於年代測定是否有上限,如果不考慮時間和資金問題,那麼答案就是「沒有」。地球上最古老的岩石可以追溯到37.7億至39.5億年前,而最古老的化石可追溯至約34.2億年前。

科學家通常會將兩種測年方法結合使用:相對測年法與絕對測年法。相對測年法是指,將化石按「最古老」到「最年輕」的順序排序;而絕對測年法則是指確定某個物體所處的具體年代。

埋得越深,(也許就)越古老

相對測年法從18世紀就開始採用了,而且除了鏟子之外,基本不需要用到其它技術。艾利克斯指出,最簡單的測年方法往往是最准確的,最終得出的數據也是最有用的。

艾利克斯解釋道,相對測年法的邏輯一般是「東西埋得越深,一般就越古老」。梅耶指出,這就是所謂的「層序律」:「比較古老的物質一般都會埋在比較年輕的物質下面,就像一堆髒衣服一樣。」早年一位名叫查爾斯·萊伊爾的地質學家就將相對測年法發揮到了極致。他通過擁有現存親屬物種的動物在岩石中所占的比例,總結出了一張簡單的年代分布圖,在無法精確測定年代的情況下,判定了不同物種的相對生活時間。在此基礎上,他率先提出了更新世、上新世、中新世、以及漸新世等第一批遠古地質年代的名稱。

艾利克斯指出,在同一環境中發現多件物品時,也可以採用相對測年法。例如,如果發現了一枚標有日期的硬幣,就可以用其判斷周圍物品或化石的年代。又例如,假如在一枚猛獁象頭骨近旁發現了一具人類骸骨,就說明二者同屬於冰河時代晚期。

但相對測年法存在一大缺陷:研究對象可能會受到污染。艾利克斯指出,負責任的科學家「會假定這些物品之前被移動過,也清楚自己研究的不是一塊無人碰過的蛋糕,最底層的物質一定最古老。」結冰、解凍、昆蟲行為、人類活動……這些都會對考古遺跡的完整性造成影響。科學家需要時刻留意這些「宏觀污染」的痕跡,然後交給地質考古學家進行分析,因為後者的專長便是識別這一類污染問題。

化學鍾

採用絕對測年法,科學家可以精確判斷化石的年份、或是大致的年份范圍。梅耶解釋道,絕對測年法「利用化學或物理原理推斷出化石的確切年代,可以將誤差控制在一定范圍內」。這種方法又叫「精密測年法」,以放射性物質衰變為基礎。放射性元素的衰變是可以預測、有章可循的,相當於為我們提供了一台精確、可靠的時鍾。

目前最佳的精密測年法為放射性碳測年法。用艾利克斯的話來說,這項技術「使考古學界發生了革命性的變化」。任何由生物遺留下來的物質都可以用該技術斷代,包括骨骼、牙齒、樹葉、樹皮等等。

碳測年法的原理是,將樣本中放射性碳與普通碳的占比進行比較。放射性碳不夠穩定,隨著時間的流逝,其能量也會不斷流失,最終衰變成氮元素。「放射性碳的衰變速度是可以預測的,」艾利克斯指出,「生物一旦死亡,體內的放射性碳(特別是同位素碳14)就會開始衰變,半衰期為5730年。也就是說,每過5730年,有機樣本中遺留的碳14的量就會減少一半。該方法的問題在於,這些有機化石的年齡不得超過6萬年,才能精確測定其所處年代,因為如果樣本過於古老,尚未衰變的放射性碳便已所剩無幾,很容易受到環境的影響。」

對於碳測年法而言,污染也是一大問題。化石中很容易沾染與之無關的其它有機質,導致測出的年齡比其實際年齡要短。艾利克斯指出,這種情況即使在實驗室中也會出現。不過近幾年來,科學家發明了一些新方法,比如清潔化石、提取其中的膠原質等等,可以有效避免這種情況的發生。

對於年齡超過6萬年的化石,科學家可以通過測定化石周圍的無機沉積物或礦物質的年齡,間接推斷出化石的年代。例如,光釋光(OSL)測年法可以測出土壤中特定礦物質最後一次暴露在陽光下的時間,從而為某件物品被埋入地下的時間提供一個大致范圍。在使用光釋光測年法時,必須將樣本避光保存,否則就會失效。熱釋光測年法則可以測定出某物最後一次被加熱的時間,「比如某件石制工具何時被加熱過、或被火燒過。」而鈾系測年法和電子自旋共振測年法可以測定同位素的衰變情況,可以確定化石的絕對年代。

馬克斯·普朗克人類歷史科學研究所的考古學家艾莉諾·賽利指出,人們對精密測年法有一種誤解,認為這項工作「一般都是在實驗室中進行的」。但實際上,為了弄清化石的年齡,科學家「還需要了解考古遺跡的形成過程、沉積物是否換過位置、是否保留了原始狀態」。這個問題與使用相對測年法時的污染問題很類似,在考古遺址被發掘前的成千上萬年間,沉積物的位置可能會有所變動,水流可能將化石或古器物沖到其它地方、與最初的埋藏點相距甚遠。「如果送到實驗室的樣本不好,無論測年法有多麼精確,結果都不可能理想。」

精密測年法的確強大,但正所謂能力越大、責任越大。賽利指出,科學家必須弄清自己的測年對象究竟為何物,並且盡量多使用幾種測年方法。

「我們之前發現了一個深不可測的岩洞,里面滿是骨骼化石。」賽利表示,「通過對外層物質進行放射碳年代測定,我們了解到,這些化石全都是在一次洪水中被沖進這個岩洞中的。但我們相信,這些骨骼的真實年齡其實要古老得多。」目前,該團隊正在利用鈾系測年法和電子自旋共振測年法解決這一問題。

「如果這些骨骼樣本的測年結果相差很大,就說明這些化石分屬不同年代,只不過被一次大規模洪水一起沖到了這里。」賽利解釋道,「但即使測得的結果相差不大,這些化石形成的年代仍有可能遠遠早於在岩洞中沉積下來的年代。」

科學家應盡量使用多種測年技術,給測得的化石年齡增加一重佐證。

到目前為止,這些技術還僅被用於測定地球上發現的化石年齡。不過,考慮到人類正在計劃前往火星收集樣本,形勢也可能有所變化。因此,這些測年技術除了幫助我們了解自己的過去之外,有朝一日或許還能告訴我們,火星上是否曾經(或者何時)有過生命。

來源:cnBeta