郭建崴

進(jìn)化論系列講座（五）地質(zhì)學(xué)曙光初現(xiàn)

郭建崴

拿化石說事兒

今天我們所熟知的“化石”，是指保存在巖層中的地質(zhì)歷史時期的古生物遺體、遺物和生活遺跡。在漫長的地質(zhì)年代里，地球上曾經(jīng)生活過無數(shù)的生物，這些生物死亡后的遺體或是生活時遺留下來的痕跡，許多被當(dāng)時的泥沙掩埋起來。在隨后的歲月中，這些生物遺體中的有機(jī)物質(zhì)分解殆盡，堅硬的部分如外殼、骨骼、枝葉等與包圍在周圍的沉積物一起經(jīng)過石化變成了石頭，但是它們原來的形態(tài)、結(jié)構(gòu)（甚至一些細(xì)微的內(nèi)部構(gòu)造）依然保留著。同樣，那些生物生活時留下來的痕跡也可以這樣保留下來。我們把這些石化的生物遺體、遺跡就稱為化石。

“化石”一詞源自拉丁文fossillis，意為挖掘。實(shí)際上，其最初的含義并不專指古生物，而是泛指那些從地下挖出來的不尋常的東西?？梢哉f，一開始化石就被賦予了與大地、與地球的密切聯(lián)系，是人類試圖揭開地球之謎的一把鑰匙。

中國古籍中早已有關(guān)于“龍骨”的記載，如春秋時代的計然和三國時代的吳普，都曾提到山西省產(chǎn)“龍骨”。實(shí)際上，這些都是古代脊椎動物的骨骼和牙齒的化石。而在古希臘，一些學(xué)者曾對在沙漠和山區(qū)的巖石里發(fā)現(xiàn)有魚骨及海生貝殼而感到迷惑。如在公元前450年，希羅多德（Herodotus）注意到埃及沙漠中的化石，并正確地認(rèn)為地中海曾淹沒過那一地區(qū)。公元前400年，亞里士多德已經(jīng)認(rèn)識到化石是由有機(jī)物形成的，但是他認(rèn)為化石之被嵌埋在巖石中是由于地球內(nèi)部神秘的塑性力作用的結(jié)果。他的一個學(xué)生狄奧佛拉斯塔（Theophrastus）（約公元前350年）也提到化石代表某些生命形式，但卻認(rèn)為化石是由埋植在巖石中的種子和卵發(fā)展而成的。斯特拉波（Strabo）（約公元前63年到公元20年）注意到海生化石在海平面之上的存在，并正確地推斷出含有該類化石的巖石曾受到很大的抬升。

到了中世紀(jì)，西方人對化石的種種解釋偏離了自然，它們或者被解釋為自然界的奇特現(xiàn)象，或者被解釋為是魔鬼特別創(chuàng)造和設(shè)計出來以便迷惑人的東西。大約在15世紀(jì)初，化石的真正由來才被普遍接受。人們確定了化石是史前生物的殘體，但卻因?qū)浇痰暮V信而相信其為《圣經(jīng)》所記載的大洪水造成的遺跡。

文藝復(fù)興時期的達(dá)?芬奇也論及到化石的問題，堅決主張《圣經(jīng)》洪水不能對所有化石的成因作出解釋，尤其無法解釋化石出現(xiàn)在高山上的現(xiàn)象。他確信，化石是古代生物無可置疑的證據(jù)，并認(rèn)為海洋曾經(jīng)覆蓋過意大利半島，當(dāng)時古代動物的遺體被深埋在海底。在以后的某個時候，海底隆起升出海面，意大利半島方才形成。

愛爾蘭麋

化石研究史上，愛爾蘭麋的發(fā)現(xiàn)即使不敢說是最重要、也稱得上是最重要者之一。因?yàn)?，除了它龐大的身軀、尤其是巨大無比的角深刻地印在所有見過它的人們的腦海里揮之不去以外，它在人類認(rèn)識生物進(jìn)化的過程中曾經(jīng)起到過舉足輕重的作用。

愛爾蘭麋已知最早的畫作于1588年，可見愛爾蘭人早在數(shù)百年前就在家鄉(xiāng)的湖泊淤泥下面的沉積巖層里發(fā)現(xiàn)了這種遠(yuǎn)古巨獸的遺骨。遺骨太大了！尤其是那巨型的角?。≌媸恰翱可匠陨?、靠水吃水”，一些角的化石就被用作了房屋的門柱甚至溪流上的小橋?。?！

之所以把這種巨獸叫做“愛爾蘭麋”，就是因?yàn)楫?dāng)時人們所知唯一能夠與如此大的角比對一下的活物只有歐洲麋。但是比起最大角展寬度達(dá)到4米的愛爾蘭麋而言，歐洲麋的角實(shí)在是小巫見大巫啦！經(jīng)過許多古生物學(xué)家正式研究之后，如今已經(jīng)將愛爾蘭麋認(rèn)定為一個完全不同于歐洲麋的種屬——大角鹿屬，巨大角鹿（種）。當(dāng)然啦，這種大角巨獸與我們熟悉的麋鹿——“四不象”在屬種關(guān)系上也差得遠(yuǎn)著呢！

不過為了方便，我們還是暫且依最初的俗稱把它叫做愛爾蘭麋吧。

1697年，莫利紐克斯博士第一次對愛爾蘭麋做了學(xué)術(shù)描述。其中的一段話足以讓我們感受到他對如此大角巨獸的贊嘆——“自然本身賦予這種生物巨大而高貴的角，使之變得獨(dú)特，形成了與其他小的四足類動物普通類群截然不同的模樣?！?/p>

不過，莫利紐克斯在論文中要表達(dá)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不僅是贊嘆，他的重點(diǎn)是要解釋一個問題——它們?nèi)チ四睦?？因?yàn)轱@然，整個愛爾蘭島上已經(jīng)不存在活著的愛爾蘭麋了！

“生、死？”莫利紐克斯寫道：“按照許多博物學(xué)家的觀點(diǎn)，生物中沒有任何物種自從被上帝創(chuàng)造出來之后滅絕——即完全在這個世界上消失。這完全基于一個原則，即全能的上帝憐惜創(chuàng)造出的物種。我們應(yīng)該贊同這種觀點(diǎn)?！?/p>

莫利紐克斯的這番表述體現(xiàn)了當(dāng)時絕大多數(shù)西方學(xué)者的思想——自然神學(xué)。為了證明愛爾蘭麋依然在上帝的庇佑下生活在世界的某個角落，他不辭辛苦地到處尋找種種蛛絲馬跡。當(dāng)看到遠(yuǎn)赴北美洲的旅行者寫下的關(guān)于美洲麋角尺寸的報道之后，他認(rèn)定二者就是同一個物種。那么為什么這種巨鹿在愛爾蘭消失了呢？他推測其原因是空氣中含有的某種毒素引發(fā)的傳染病。

隨后的一個世紀(jì)中，愛爾蘭麋的化石不斷地在不列顛島和歐洲大陸的許多地點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)，而學(xué)者們也因襲著莫利紐克斯的思路苦苦地尋覓著這些古代巨獸的現(xiàn)生同種后代們。后期的學(xué)者分成了兩派，一派依然認(rèn)為它們是麋（也稱為駝鹿，包括我們前面提到的歐洲麋和美洲麋，它們與“四不象”麋鹿是不同的屬種），還有一派則另辟蹊徑，認(rèn)為它們是馴鹿。

水火之爭到將今論古

就在莫利紐克斯博士第一次對愛爾蘭麋進(jìn)行學(xué)術(shù)描述的20多年前，為了描述地層層序，丹麥地質(zhì)學(xué)家N.斯泰諾在1669年提出了地層層序律，指出在正常的地層層序中，先形成的巖層在下，后形成的在上。

隨后不久，英國博物學(xué)家約翰?伍德沃德發(fā)表了一系列論著——《地球自然歷史論》（1695年，1702年）、《全球天然物體觀察簡介》（1696年）、《化石研究之路》（1696年）以及《英國化石博物學(xué)研究嘗試》（2卷本，1728年，1729年）。

這些著作的問世，建立在伍德沃德對不列顛島許多地區(qū)所做的地層結(jié)構(gòu)考察和對采集的大批化石的研究基礎(chǔ)之上。秉承著仁奈?笛卡兒等前人甚至于古希臘人關(guān)于世界水成的思想，伍德沃德經(jīng)研究后提出了“洪積論”，解釋不列顛島地層形成的原因，認(rèn)為《圣經(jīng)》上描述的那場大洪水使原來的大地土崩瓦解，沖刷起來的無機(jī)物和淹死的生物混雜在泥漿般的洪水中到處泛濫。當(dāng)洪水平靜以后這些東西便開始下沉，金屬、重礦物等重的物質(zhì)以及較重的動物骨骼沉積到最底部的地層里，其上面的白堊層沉積了比較輕的海生動物，最上層的泥沙層中沉積了人和高等植物的遺骸。

18世紀(jì)的許多學(xué)者對這一理論頂禮膜拜并使之得到了繼承和發(fā)展。到了1787年，德國著名地質(zhì)學(xué)家亞伯拉罕?戈特羅勃?魏爾納更是將其發(fā)揚(yáng)光大，建立了在此基礎(chǔ)上的“水成論”。

魏爾納的地質(zhì)學(xué)研究是從遍布在故鄉(xiāng)薩克森的沉積巖地層開始的。受當(dāng)時英國物理學(xué)家、化學(xué)家羅伯特?波義耳發(fā)現(xiàn)鹽從水溶液中結(jié)晶沉淀的啟發(fā)，魏爾納認(rèn)為，組成地殼的所有巖石都是由水溶液中沉積而成，水是改造地球表面的主要營力。最初，地球的整個表面都覆蓋著海洋。海水中溶解的礦物質(zhì)最先沉積出花崗巖、片巖、片麻巖、蛇紋巖、石英斑巖和正長巖等結(jié)晶狀巖石。他稱這些“深?；瘜W(xué)沉積巖”為“原生巖層”。石灰?guī)r、頁巖、板巖、雜砂巖等“淺海沉積物”被他稱作“過渡巖層”，認(rèn)為也是化學(xué)沉積物，但是其中摻雜了一些陸源碎屑。砂巖、凝灰?guī)r、巖鹽、石膏、煤、玄武巖和黑曜巖等被認(rèn)為是更淺水的沉積物，稱為“層狀巖層”，而且其中也有化學(xué)沉積物。最后，他把常見的未成巖的泥漿、亞黏土、沙、礫石和火山渣等稱為“最新沖積層”或“淤積物”。

然而，并不是所有的學(xué)者都贊成“水成論”的觀點(diǎn)。還在伍德沃德的“洪積論”問世不久，意大利威尼斯修道院的院長安東尼奧?拉扎羅?莫羅就提出了“火成論”這一針鋒相對的學(xué)說。莫羅目睹過埃特納火山和維蘇威火山的爆發(fā)，對那不勒斯附近的蒙?努奧伏火山錐以及地中海地區(qū)其他的火山現(xiàn)象進(jìn)行過多次考察。這些火山現(xiàn)象使他堅信，地層的形成是由地球內(nèi)部的熱力驅(qū)動的。最初的地球整個被水覆蓋，下面的固體部分是無高低起伏的較為規(guī)則的球形；后來，地下熱力的作用把深層的物質(zhì)帶上來，由火山噴發(fā)而形成島嶼、山脈甚至大陸。更晚一些出現(xiàn)了生物。島嶼、山脈和大陸之間存在裂隙和凹地，土壤、泥沙、硫磺、金屬以及各種礦物沿著裂隙從地下噴出后沉積在凹地中，于是形成了各種地層，其中也埋藏了死亡生物的遺骸。1760年，意大利學(xué)者阿爾杜伊諾將巖石分為3層：第一層為結(jié)晶巖；第二層為含化石的成層巖石；第三層為半膠結(jié)的層狀巖石，常含海相貝殼化石。

“火成論”的提出同樣贏得了一些學(xué)者的支持因而也得到發(fā)展。例如，法國學(xué)者尼古拉?戴馬列就論證了奧芬涅玄武巖屬于火山成因，糾正了水成說的錯誤觀點(diǎn)。最終的集大成者，則非英國地質(zhì)學(xué)家詹姆士?赫頓莫屬。

1785年，赫頓在愛丁堡皇家學(xué)會宣讀其經(jīng)典大作《地球理論》，宣告了其“火成論”的觀點(diǎn)。1785年～1788年，他經(jīng)過專門的野外考察，確證花崗巖是火成巖而非水成巖，而變質(zhì)巖則是由于地殼運(yùn)動而形成。1795年他又在愛丁堡皇家學(xué)會上作了關(guān)于“火成論”的報告并出版了其中的前兩卷，第三卷則在他逝世兩年后的1799年出版。

赫頓把地球看作是根據(jù)化學(xué)和力學(xué)原理構(gòu)成的“一臺特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)器”，“在地球上起作用的主要的力有重力、燃燒和冷卻、太陽光、電和磁力，這些力不僅引起現(xiàn)代的地質(zhì)現(xiàn)象，并在過去的時期里也產(chǎn)生著相同的作用”。赫頓認(rèn)為，在地表上一方面能觀察到陸地上的侵蝕和破壞作用，另一方面也可以看到海底的沉積作用，海底也能夠升出海面形成新的陸地。他把堆積物升出海面的原因和動力歸因?yàn)椤暗厍虻牡叵禄稹保赋龅叵禄鹉軌蚴谷蹘r流噴出而成火山。地球經(jīng)歷了一個周而復(fù)始、無窮無盡的發(fā)展過程，舊大陸形成和破壞及新大陸的形成經(jīng)常在發(fā)生著。

撇開“水火相爭”的成分，赫頓認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)世界中的地表侵蝕過程、成巖作用及地殼上升等現(xiàn)象，可與過去發(fā)生的進(jìn)行類比，開辟了地貌均變論之先河。地貌均變論是一種以最簡單方式解釋地貌發(fā)育的認(rèn)識論。將自然環(huán)境的演變視為小尺度的、不斷起作用的過程。

均變論的思想后來由被譽(yù)為“現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)之父”的萊伊爾繼承并發(fā)揚(yáng)光大。1830年1月，萊伊爾出版了他著寫的《地質(zhì)學(xué)原理》第一卷（1831年出版第2卷，1833年5月出版第3卷）。他堅持并證明地球表面的所有特征都是由難以覺察的、作用時間較長的自然過程形成的。他指出地殼巖石記錄了億萬年的歷史，他承認(rèn)陸地的升降運(yùn)動，把意大利塞拉比斯寺院的三根石柱（它們曾部分被海水淹沒）作為《地質(zhì)學(xué)原理》的刊頭畫，并指出斯德哥爾摩附近海面以上幾十米的海生動物的貝殼證明了陸地的上升。他指出，要認(rèn)識地球的歷史，無需求助于《圣經(jīng)》或其他超自然的力以及災(zāi)變，因?yàn)橥ǔ？磥硎恰拔⑷酢钡牡刭|(zhì)作用力（大氣圈降水、風(fēng)、河流、潮汐等），在漫長的地質(zhì)歷史中慢慢起作用，就能夠使地球的面貌發(fā)生很大的變化。萊伊爾強(qiáng)調(diào)“現(xiàn)在是認(rèn)識過去的鑰匙”，這一思想被發(fā)展為“將今論古”的現(xiàn)實(shí)主義原理和科學(xué)方法，后來對達(dá)爾文的影響很大。

萊伊爾之后，均變論在長達(dá)近一個世紀(jì)的時間里成為地質(zhì)學(xué)的信條，奠定了現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代以前的地質(zhì)學(xué)教科書，幾乎異口同聲地說“萊伊爾用均變論統(tǒng)一說明了地質(zhì)現(xiàn)象，建立了科學(xué)的地質(zhì)學(xué)”。

補(bǔ)記

1794年～1799年，威廉?史密斯受雇于修建“薩默塞特煤礦運(yùn)河”的運(yùn)河公司，為運(yùn)河的修建進(jìn)行線路測量和調(diào)查。期間，他踏遍了大半個英格蘭的山山水水，熟悉了運(yùn)河穿過的所有巖層并且采集了許多化石。到1796年1月的時候他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，巖性相似的地層可以根據(jù)其中埋藏的不同化石組合來進(jìn)行區(qū)分。同時，他開創(chuàng)了用不同顏色在地圖上標(biāo)著不同的地層在周圍山上出露狀況的方法——這就是早期地質(zhì)圖的雛形。

隨著從不同地點(diǎn)、不同巖層采集而來的化石積累得越來越豐富，那一個挨著一個地擠在一起的螺殼蚌殼化石、一塊塊餅干似的菊石、巖層面上的一張張樹葉化石，等等等等，開始引他陷入沉思。這些化石之間、以及與埋藏它們的巖層之間的關(guān)聯(lián)是隨機(jī)無章的還是存在某種規(guī)律的呢？為了闡明各地方的地層層序間的對比，威廉?史密斯在1799年提出了“化石層序律”。這一原理成為了地層學(xué)的基本原理，它實(shí)際上揭示了生物進(jìn)化的不可逆性和階段性，是生物地層學(xué)的基礎(chǔ)。

地層學(xué)發(fā)展到1829年，J.德努瓦耶把上文提到的意大利學(xué)者阿爾杜伊諾的第三層之上的松散沉積層稱為第四系，而原來的第一層大致相當(dāng)于前中生代，第二層大致相當(dāng)于中生代，第三層即第三系。這便是我們現(xiàn)在常用的地質(zhì)時代大框架的由來。