20年和7500块化石揭示了地球海洋化石记录的模糊之处
科学家们对全球海底的7500多件海洋化石进行了碳定年，并利用这些数据确定哪些环境因素最主要导致同一地层不同时期的化石混合在一起。图片来源：佛罗里达博物馆克里斯汀·格雷斯
（神秘的地球uux.cn）据佛罗里达自然历史博物馆（作者：杰拉尔德·平森）：在富饶的海洋环境中，一平方米（10.8平方英尺）的海底可以被数百到数千条孤立且相互连接的隧道穿孔，这些隧道中爬行和蠕动着蛤蜊、虾、海星、沙元、蜗牛、蚯蚓及其他动物。
所有这些挖掘都会混合沉积物，以及任何贝壳和其他骨骼遗骸。这种时间抹片对古生物学家来说是个问题，因为当这块海底被埋藏并成为化石记录的一部分时，很难且昂贵地确定混合了多少。
“让我一直感到惊讶的是，从单一沉积层收集的大量化石，竟然能代表多长时间。维也纳大学古生物学家拉法尔·纳沃罗特说：“在某些情况下，保存良好的并排化石生物可能相隔数百甚至数千年。”
该研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上。
不同时间存在但被保存在一起的化石混合称为时间平均法。
据纳沃罗特的同事、博洛尼亚大学副教授丹尼埃莱·斯卡波尼（Daniele Scarponi）介绍，时间平均决定了古生物学家可以提出的问题类型。
“在解读化石组合之前，我们需要知道它所代表的间隔。有些化石组合就像庞贝的遗址——被迅速掩埋，因此提供了过去社区被时间冻结的快照。另一些则更像是史前墓地，连续使用了几个世纪，不同世代的人类遗骸随着时间缓慢堆积。这两种类型都能提供对过去的宝贵见解，但我们能从中提取的数据类型在每种情况下都会不同，“斯卡波尼写道。
沉积物掩埋决定了节奏
除了挖掘动物外，还有其他几个因素影响时间平均，包括：
1.有机材料的耐久性非常重要。大多数生物在化石化之前都会被食腐动物分解或分解。因此，海洋和陆地化石记录主要由坚硬的骨骼材料组成，如贝壳和骨骼。但即使是这些，如果保存不够快，也会破碎和分解。
2.另一个重要因素是沉积速率，沉积在海洋不同区域不均匀发生，且随时间变化。例如，三角洲沉积率较高，而其他地区可能在较长时间内仅会有细微的沉积。如果沉积缓慢，生物的骨骼遗骸会在较长时间内积累;但如果沉积速度快，遗骸会更快被掩埋，年龄混合也会减少。
3.生物生产力同样至关重要。古生物学家在一个地点挖掘时能发现的化石数量与之前被化石化的生物数量高度相关。
通过一项历时20年的项目，一个国际科学家联盟的成员表示，他们已经确定了哪些因素对时间平均最为重要，从而主要控制古生物学数据的时间分辨率。
“我们的结果表明，如果我们知道沉积物积累的速度——这可以从环境背景中推断出来——我们就能确定一个化石组合捕获了多少时间：单个贝壳或骨骼越快被埋入沉积物表层下，多代生物遗骸积聚并被共同保存的可能性就越低，“纳沃罗特写道。
沉积速率长期以来被认为是时间平均分析的重要组成部分，但收集严谨且全面评估这一问题所需的数据既困难又耗时且极其昂贵。
通过整合多个项目，作者分析了7500多件化石，这些化石通过放射性碳测定及其他方法测年，并从世界各地多种海洋环境中采集，从浅海沿岸到大陆架边缘。
参与该项目的各个研究团队——包括澳大利亚、奥地利、巴哈马、巴西、意大利、德国、斯洛伐克和美国的科学家——分别在二十年间收集、研究并发表了关于化石的论文。当他们得知彼此的工作后，决定联手共享数据。
“此前从未有过如此大规模的尝试，因为根本不可能，但由于我们有许多团队在相似主题上工作并使用相似的方法，我们才能汇编出这项研究，”该研究的共同主导者、佛罗里达自然历史博物馆无脊椎动物古生物学汤普森讲席米哈尔·科瓦莱夫斯基说。
数千化石的年代测年
放射性定年是作者主要采用的方法之一，利用了放射性原子总是以稳定且可预测的速度衰变为更稳定、非放射性原子的事实。这使科学家能够估算矿物和化石的年龄。
许多动物的骨骼中含有一种称为碳-14的放射性同位素。植物在光合作用过程中吸收碳-14，并利用它来制造更多自身。草食动物通过吃植物获得碳-14，食肉动物从草食动物那里获得碳-14，分解者则从上述所有物质中获得。
这个名单包括人类。你身体任何含有碳的部位——也就是身体的每一部分——都是放射性的。幸运的是，碳-14以电子的形式发射辐射，对我们来说就像接收到持续但几乎察觉不到的电击——完全不同于铀发射的撕裂细胞伽马射线。
碳-14的半衰期——即任意一半放射性原子衰变所需的时间——大约为5730年。这意味着作者只能关注最新的化石记录：最早可达55,000年前的化石，这大约是化石中剩余碳-14的可靠测量阈值。
研究人员还采用了一种称为氨基酸消旋化的技术，即使用氨基酸比例。与碳同位素类似，不同形式的氨基酸比例也会随着时间以可预测的方式变化。
之前没有人尝试过如此大规模的定年，主要是因为放射性碳测年和氨基酸定年成本高昂。大多数研究团队只能负担得起几十个标本的数据，但要全面评估时间平均的尺度和驱动因素，需要数千个标本。
将成本分散到多个实验室二十年，大大降低了这一障碍，同时放射性测年技术的最新进展降低了成本，使得使用比以往更小的样本成为可能。
短叶甘油是一种钻入沉积物中的刚毛虫。图片来源：佛罗里达博物馆无脊椎动物学图片
通过这项独特的合作，科瓦列夫斯基和他的同事们拥有了可能是有史以来最大规模的化石碳定年数据，这些数据现在可用于许多原本难以解决的研究课题。
“这个数据集非常强大。我们目前正在进行多个后续项目，探索时间平均及相关流程的各个方面。你可以用它来回答很多问题，但当然，我们是从最重要的开始的，“他说。
更清晰地望向深远时间的窗口
在汇总了化石标本的碳定年后，作者通过改变生物扰动（由掘洞动物引起的混合）、沉积和化石破坏速率来模拟年龄分布。然后，他们比较了碳定年化石的真实年龄分布与不同模拟分布，以确定哪种模型最接近数据中实际观察到的模式。
结果明确无误。
“有时候，生活比你想象的更精彩，”科瓦莱夫斯基说。“在这种情况下，结果远超我们开始时的任何梦想。”
了解沉积速率是决定不同年代化石混合程度的最重要因素，将开启此前受限的研究方向。假设同样的模式适用于更早的海洋，那么这些结果可以推广到比仍含有残留碳-14的化石更古老的化石。
出版信息
Michał Kowalewski 等，《沉积积速率预测海洋化石组合的时间分辨率》，《美国国家科学院院刊》（2026年）。DOI：10.1073/pnas.2615368123
