石炭纪,这一次我们从蜻蜓开始聊起

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  今天的故事,

  我们从蜻蜓开始聊起。

  生活中我们习以为常的蜻蜓,

  有着多种多样的种类,

  它们是这样的——

  

  (澳洲蓝蜻蜓)

  或者是这样的——

  

  (非洲红蜻蜓)

  但是如果我告诉你,

  在地球历史上的某一个时代,

  蜻蜓双翅张开最大可达75cm……

  

  (巨脉蜻蜓化石)

  这种超大型蜻蜓学名叫作巨脉蜻蜓,

  又被称为巨尾蜻蜓,

  主要出现在3亿年前的晚石炭世。

  是已知的地球上曾出现最大的昆虫物种,

  它以其他昆虫及细小的两栖动物为食。

  

  (巨脉蜻蜓模型)

  究竟是什么原因使得蜻蜓的个头如此巨大,

  是人性的扭曲,

  还是……

  

  别着急,

  文章会慢慢地揭晓这个秘密。

  老规矩,

  我们先从“石炭”这个名称开始。

  Part 1

  “石炭”的由来

  石炭纪,是地质年代史中古生代的第五个时代,从3.589亿年演化到2.989亿年之前,持续时间约6000万年。早在1822年,英国地质学家就已经把石炭纪视为地质演化史的一个时代。

  

  (石炭纪植物复原图)

  在这个时代,陆地植物,尤其是蕨类植物生长繁茂,从而使得全球至少一半的煤炭储量,都出自这个时期形成的沉积岩层中,石炭纪正是因此得名。

  Carboniferous(石炭纪)来源于拉丁词语 carbō(意思是煤)和 ferō (意思是包含)。按照国际地层委员会的最新规定,石炭系主要二分为密西西比亚系以及宾夕法尼亚亚系,每个亚系又进一步细分为三阶。

  

  (石炭系国际地层年代表)

  这一划分标准最早由美国地质学家提出,在欧洲与俄罗斯地质学界,对石炭的地层划分又有不同之处,不过并没有得到全球范围内的认可。

  在石炭纪地层中,一共有三颗“金钉子”。其中,维宪阶的金钉子由我国地质学家历经20余年的不断研究,在中国广西柳州市郊15千米处碰冲村南的碰冲剖面(北纬24度26分,东经109度27分)厘定,并且经国际石炭纪地层委员会表决,以全票21票通过,当选为国际石炭系维宪阶全球界线层型剖面和点位(GSSP)。

  

  (碰冲“金钉子”)

  至此,终于在我国碰冲确立了全球石炭系首个“阶”级“金钉子”,也是我国取得的第九颗“金钉子”。

  

  Part 2

  石炭纪古地理与大地构造背景

  大地构造背景上,石炭纪是地球历史上一个非常活跃的时代。

  泥盆纪末期,全球海平面下降,石炭纪早期逆转,海平面上升,从而形成了广泛的内陆海域,现今阶段密西西比河流域石炭纪地层碳酸盐沉积便是很好的例子。冈瓦纳大陆南部在这个时期被冰雪覆盖。但是赤道附近则是郁郁葱葱的沼泽地,也为后期煤炭的形成提供了条件。

  

  (早石炭世大地构造背景)

  中-晚石炭世,海平面下降,进而引发了一次海洋生物灭绝事件。这次海平面下降使得北美地区的地层出现显著的不整合接触,也将密西西比时期与宾夕法尼亚时期分开。

  

  (密西西比亚系与宾夕法尼亚亚系不整合界面)

  

  Part 3

  石炭纪古生物

  01

  石炭纪的典型物种——蕨类

  石炭纪,尤其是晚石炭世可以被称为是蕨类植物的时代。

  石炭纪时,早期的裸子植物(如苏铁、松柏、银杏等)非常引人注目,但蕨类植物的数量最为丰富。蕨类植物是灌木林中的旺族,它们虽然低矮,但大量占据了森林的下层空间,紧簇拥挤,蒸蒸日上。可以这样说,今天地球上之所以蕴藏有如此丰富的煤炭资源,与石炭纪植物界的繁盛密切相关。

  

  (石炭纪蕨类植物化石)

  这些树状的植物属于今天的石松纲,它们可以达到40米高,其茎的直径可达1米。

  

  (石松化石)

  属于问荆的芦木也达到了20米高。舌羊齿目植物也成为树一般的高大木质植物。石炭纪末期还出现了有花植物(裸子植物如歧杉和瓦契杉)。

  

  (笔者在石炭纪地层中发现的树化石,树干长逾1米)

  石炭纪的气候温暖湿润,有利于植物的生长。随着陆地面积的扩大,陆生植物从滨海地带向大陆内部延伸,并得到空前发展,形成大规模的森林和沼泽,给煤炭的形成提供了有利条件,所以,石炭纪成为地史时期最重要的成煤期之一。

  02

  动物类

  海洋动物

  进入石炭纪,地球上的物种类型也发生了巨大的变化。泥盆纪中具有统治地位的硬骨鱼,大部分消失在了泥盆纪末期的灭绝事件中。而鲨鱼在石炭纪期间则进化辐射至全球范围内。研究认为,这种进化辐射的发生是因为泥盆纪末期的灭绝事件,导致海域内生存空间扩大。

  受进化的影响,石炭纪鲨鱼呈现各种奇异的形状,其中名为Stethacanthidae的鲨鱼,其背部有扁平的刷状背鳍,顶部有一片细齿。

  

  (Stethacanthidae鲨鱼)

  Falcatus是一种生活在3.35亿年-3.18亿年前的小型多齿鲨。它们长约25-30厘米(10-12英寸)。它们的特征是突出的鳍刺在其头部前方弯曲。

  

  (Falcatus鲨鱼)

  Orodus是石炭纪的另一种鲨鱼,一种来自Orodontidae的属,从3.03亿年到2.95亿年前生活在早二叠世。它长到2米(6.6英尺)。

  

  (Orodus鲨鱼)

  海百合是石炭纪出现的新生物,它们属于棘皮动物。这些动物在石炭纪的海底形成草地一般的大面积覆盖面,它们留下了许多化石。

  

  其它留下许多化石的动物包括苔藓动物门的动物、希瓦格蜓和纺锤蜓,后两者是单细胞动物,但它们可以达到10厘米大。

  陆地动物

  最大的陆地无脊椎动物

  石炭纪的陆生动物形体也十分巨大。我们一起来领略一些这些史前“巨兽”的风采。

  节胸属(学名:Arthropleura),又称节胸蜈蚣属,是史前的倍足纲动物,即现今蜈蚣及马陆的远古亲属。

  

  (Arthropleura armata的化石,现存于德国法兰克福森根堡自然博物馆)

  节胸属成员的体型范围在0.3至2.3米之间,宽度则可达50厘米。

  

  (节胸属模型以及与人类大小对比)

  节胸属主要生存于石炭纪晚期,分布在北美洲及苏格兰。它们是已知陆地上最大型的无脊椎动物。

  普莫诺蝎(学名:Pulmonoscorpius kirktonensis,字面意思为“会呼吸的蝎子”),又称为氧蝎、肺蝎,是一种已绝种的巨型蝎子,生活于石炭纪的维宪阶时期,化石曾发现于苏格兰的西洛锡安等地区,最大可达70厘米长。

  

  (普莫诺蝎复原图)

  昆虫

  此外,在石炭纪的地层中,还发现有大量的昆虫化石。无翼的昆虫最早出现于泥盆纪,到石炭纪时期,已经出现有翼的昆虫,但这些昆虫还无法折叠它们的翅膀(如蜻蜓等)。

  巨脉蜻蜓的化石于1880年在法国发现。1885年,法国古生物学家Charles Brongniart描述并命名了这个化石。另一个化石标本在1979年发现于德比郡的博尔索弗。完模标本现正存放在巴黎的法国国立自然史博物馆。

  

  (巨脉蜻蜓的模型)

  两栖类

  石炭纪时在陆地上生活的唯一的脊椎动物是两栖动物,但它们还保存着相当的水生习性。由于它们在陆地上还没有竞争对手,因此它们的种类非常多,有些可以大到6米长。

  

  (原始爬行动物,莱氏林蜥)

  这些陆地生物为何体型庞大?

  这些陆地动物之所以体型庞大,其一,当时遍布全球的湿润温和的热带雨林,为这些陆地动物的生存提供了极为理想的生活环境;其二,石炭纪时期的氧含量,要远远高于现今地球的浓度,氧含量的升高,使得这些陆地生物呼吸更加省力,体型变得异常巨大,而到石炭纪末期,由于森林的减少,氧气含量的降低,这些“巨兽”的体型也逐渐变小。

  03

  石炭纪时期的生物灭绝事件

  石炭纪雨林崩溃事件(Carboniferous rainforest collapse)是发生在大约3.05亿年前石炭纪末期的一个小型灭绝事件。

  

  (来自澳大利亚塔斯马尼亚Mount Fied国家公园的蕨类植物,可以想象石炭纪雨林的形态)

  此次灭绝事件使得覆盖欧洲和美洲赤道地区的广阔煤炭森林凋零,也导致许多植物和动物物种变得矮小,继而灭绝。事件发生之后,热带森林又渐渐开始恢复,继续分布在地球的大部分地区,但其程度和组成发生了变化。

  

  (在石炭雨林崩溃后,煤炭森林的种类。 这些植物化石来自灭绝事件后,约500万年的森林之一。)

  然而,森林的组成从一个由鳞木属主导的森林,改变为树蕨和种子蕨。

  此事件属小型物种灭绝事件,不过仍然有许多物种于此次事件中灭绝,包括受影响最深的昆虫、两栖动物和爬行类等。

  (图片来源于维基百科)

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