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(shuō)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(shí)期的古生物遺體、遺物和生活遺跡。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里，地球上曾經(jīng)生活過(guò)無(wú)數(shù)的生物，這些生物死亡后的遺體或是生活時(shí)遺留下來(lái)的痕跡，許多被當(dāng)時(shí)的泥沙掩埋起來(lái)。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(jiān)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(guò)石化變成了石頭，但是它們?cè)瓉?lái)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(shí)留下來(lái)的痕跡也可以這樣保留下來(lái)。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(lái)的不尋常的東西?？梢哉f(shuō)，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(guó)古籍中早已有關(guān)于“龍骨”的記載，如春秋時(shí)代的計(jì)然和三國(guó)時(shí)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(dòng)物的骨骼和牙齒的化石。而在古希臘，一些學(xué)者曾對(duì)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(méi)過(guò)那一地區(qū)。公元前400年，亞里士多德已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(gè)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(duì)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(jì)出來(lái)以便迷惑人的東西。大約在15世紀(jì)初，化石的真正由來(lái)才被普遍接受。人們確定了化石是史前生物的殘?bào)w，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(shí)期的達(dá)?芬奇也論及到化石的問(wèn)題，堅(jiān)決主張《圣經(jīng)》洪水不能對(duì)所有化石的成因作出解釋，尤其無(wú)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(wú)可置疑的證據(jù)，并認(rèn)為海洋曾經(jīng)覆蓋過(guò)意大利半島，當(dāng)時(shí)古代動(dòng)物的遺體被深埋在海底。在以后的某個(gè)時(shí)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(shuō)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(wú)比的角深刻地印在所有見過(guò)它的人們的腦海里揮之不去以外，它在人類認(rèn)識(shí)生物進(jìn)化的過(guò)程中曾經(jīng)起到過(guò)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！！真是“靠山吃山、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(shí)人們所知唯一能夠與如此大的角比對(duì)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(guò)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(gè)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(guò)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(duì)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(duì)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(dòng)物普通類群截然不同的模樣。”

不過(guò)，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(gè)問(wèn)題——它們?nèi)チ四睦铮恳驗(yàn)轱@然，整個(gè)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(méi)有任何物種自從被上帝創(chuàng)造出來(lái)之后滅絕——即完全在這個(gè)世界上消失。這完全基于一個(gè)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)。”

莫利紐克斯的這番表述體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)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(gè)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(bào)道之后，他認(rèn)定二者就是同一個(gè)物種。那么為什么這種巨鹿在愛爾蘭消失了呢？他推測(cè)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(gè)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(zhēng)到將今論古

就在莫利紐克斯博士第一次對(duì)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(guó)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(jiǎn)介》（1696年）、《化石研究之路》（1696年）以及《英國(guó)化石博物學(xué)研究嘗試》（2卷本，1728年，1729年）。

這些著作的問(wèn)世，建立在伍德沃德對(duì)不列顛島許多地區(qū)所做的地層結(jié)構(gòu)考察和對(duì)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(chǎng)大洪水使原來(lái)的大地土崩瓦解，沖刷起來(lái)的無(wú)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(guó)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(shí)英國(guó)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(yíng)力。最初，地球的整個(gè)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(zhǎng)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(yè)巖、板巖、雜砂巖等“淺海沉積物”被他稱作“過(guò)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(wèn)世不久，意大利威尼斯修道院的院長(zhǎng)安東尼奧?拉扎羅?莫羅就提出了“火成論”這一針鋒相對(duì)的學(xué)說(shuō)。莫羅目睹過(guò)埃特納火山和維蘇威火山的爆發(fā)，對(duì)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(guò)多次考察。這些火山現(xiàn)象使他堅(jiān)信，地層的形成是由地球內(nèi)部的熱力驅(qū)動(dòng)的。最初的地球整個(gè)被水覆蓋，下面的固體部分是無(wú)高低起伏的較為規(guī)則的球形；后來(lái)，地下熱力的作用把深層的物質(zhì)帶上來(lái)，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(guó)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(shuō)的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。最終的集大成者，則非英國(guó)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(huì)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(guò)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(dòng)而形成。1795年他又在愛丁堡皇家學(xué)會(huì)上作了關(guān)于“火成論”的報(bào)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(tái)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(yáng)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(guò)去的時(shí)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(dòng)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(gè)周而復(fù)始、無(wú)窮無(wú)盡的發(fā)展過(guò)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(zhēng)”的成分，赫頓認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)世界中的地表侵蝕過(guò)程、成巖作用及地殼上升等現(xiàn)象，可與過(guò)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(jiǎn)單方式解釋地貌發(fā)育的認(rèn)識(shí)論。將自然環(huán)境的演變視為小尺度的、不斷起作用的過(guò)程。

均變論的思想后來(lái)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(jiān)持并證明地球表面的所有特征都是由難以覺察的、作用時(shí)間較長(zhǎng)的自然過(guò)程形成的。他指出地殼巖石記錄了億萬(wàn)年的歷史，他承認(rèn)陸地的升降運(yùn)動(dòng)，把意大利塞拉比斯寺院的三根石柱（它們?cè)糠直缓Ｋ蜎](méi)）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(dòng)物的貝殼證明了陸地的上升。他指出，要認(rèn)識(shí)地球的歷史，無(wú)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?lái)是“微弱”的地質(zhì)作用力（大氣圈降水、風(fēng)、河流、潮汐等），在漫長(zhǎng)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(shí)過(guò)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(lái)對(duì)達(dá)爾文的影響很大。

萊伊爾之后，均變論在長(zhǎng)達(dá)近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)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(shuō)“萊伊爾用均變論統(tǒng)一說(shuō)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(cè)量和調(diào)查。期間，他踏遍了大半個(gè)英格蘭的山山水水，熟悉了運(yùn)河穿過(guò)的所有巖層并且采集了許多化石。到1796年1月的時(shí)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(lái)進(jìn)行區(qū)分。同時(shí)，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(lái)的化石積累得越來(lái)越豐富，那一個(gè)挨著一個(gè)地?cái)D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(wú)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(duì)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(lái)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(shí)代大框架的由來(lái)。