郭建崴

进化论系列讲座（五）地质学曙光初现

郭建崴

拿化石说事儿

今天我们所熟知的“化石”，是指保存在岩层中的地质历史时期的古生物遗体、遗物和生活遗迹。在漫长的地质年代里，地球上曾经生活过无数的生物，这些生物死亡后的遗体或是生活时遗留下来的痕迹，许多被当时的泥沙掩埋起来。在随后的岁月中，这些生物遗体中的有机物质分解殆尽，坚硬的部分如外壳、骨骼、枝叶等与包围在周围的沉积物一起经过石化变成了石头，但是它们原来的形态、结构（甚至一些细微的内部构造）依然保留着。同样，那些生物生活时留下来的痕迹也可以这样保留下来。我们把这些石化的生物遗体、遗迹就称为化石。

“化石”一词源自拉丁文fossillis，意为挖掘。实际上，其最初的含义并不专指古生物，而是泛指那些从地下挖出来的不寻常的东西。可以说，一开始化石就被赋予了与大地、与地球的密切联系，是人类试图揭开地球之谜的一把钥匙。

中国古籍中早已有关于“龙骨”的记载，如春秋时代的计然和三国时代的吴普，都曾提到山西省产“龙骨”。实际上，这些都是古代脊椎动物的骨骼和牙齿的化石。而在古希腊，一些学者曾对在沙漠和山区的岩石里发现有鱼骨及海生贝壳而感到迷惑。如在公元前450年，希罗多德（Herodotus）注意到埃及沙漠中的化石，并正确地认为地中海曾淹没过那一地区。公元前400年，亚里士多德已经认识到化石是由有机物形成的，但是他认为化石之被嵌埋在岩石中是由于地球内部神秘的塑性力作用的结果。他的一个学生狄奥佛拉斯塔（Theophrastus）（约公元前350年）也提到化石代表某些生命形式，但却认为化石是由埋植在岩石中的种子和卵发展而成的。斯特拉波（Strabo）（约公元前63年到公元20年）注意到海生化石在海平面之上的存在，并正确地推断出含有该类化石的岩石曾受到很大的抬升。

到了中世纪，西方人对化石的种种解释偏离了自然，它们或者被解释为自然界的奇特现象，或者被解释为是魔鬼特别创造和设计出来以便迷惑人的东西。大约在15世纪初，化石的真正由来才被普遍接受。人们确定了化石是史前生物的残体，但却因对基督教的笃信而相信其为《圣经》所记载的大洪水造成的遗迹。

文艺复兴时期的达•芬奇也论及到化石的问题，坚决主张《圣经》洪水不能对所有化石的成因作出解释，尤其无法解释化石出现在高山上的现象。他确信，化石是古代生物无可置疑的证据，并认为海洋曾经覆盖过意大利半岛，当时古代动物的遗体被深埋在海底。在以后的某个时候，海底隆起升出海面，意大利半岛方才形成。

爱尔兰麋

化石研究史上，爱尔兰麋的发现即使不敢说是最重要、也称得上是最重要者之一。因为，除了它庞大的身躯、尤其是巨大无比的角深刻地印在所有见过它的人们的脑海里挥之不去以外，它在人类认识生物进化的过程中曾经起到过举足轻重的作用。

爱尔兰麋已知最早的画作于1588年，可见爱尔兰人早在数百年前就在家乡的湖泊淤泥下面的沉积岩层里发现了这种远古巨兽的遗骨。遗骨太大了！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门柱甚至溪流上的小桥！！！

之所以把这种巨兽叫做“爱尔兰麋”，就是因为当时人们所知唯一能够与如此大的角比对一下的活物只有欧洲麋。但是比起最大角展宽度达到4米的爱尔兰麋而言，欧洲麋的角实在是小巫见大巫啦！经过许多古生物学家正式研究之后，如今已经将爱尔兰麋认定为一个完全不同于欧洲麋的种属——大角鹿属，巨大角鹿（种）。当然啦，这种大角巨兽与我们熟悉的麋鹿——“四不象”在属种关系上也差得远着呢！

不过为了方便，我们还是暂且依最初的俗称把它叫做爱尔兰麋吧。

1697年，莫利纽克斯博士第一次对爱尔兰麋做了学术描述。其中的一段话足以让我们感受到他对如此大角巨兽的赞叹——“自然本身赋予这种生物巨大而高贵的角，使之变得独特，形成了与其他小的四足类动物普通类群截然不同的模样。”

不过，莫利纽克斯在论文中要表达的远远不仅是赞叹，他的重点是要解释一个问题——它们去了哪里？因为显然，整个爱尔兰岛上已经不存在活着的爱尔兰麋了！

“生、死？”莫利纽克斯写道：“按照许多博物学家的观点，生物中没有任何物种自从被上帝创造出来之后灭绝——即完全在这个世界上消失。这完全基于一个原则，即全能的上帝怜惜创造出的物种。我们应该赞同这种观点。”

莫利纽克斯的这番表述体现了当时绝大多数西方学者的思想——自然神学。为了证明爱尔兰麋依然在上帝的庇佑下生活在世界的某个角落，他不辞辛苦地到处寻找种种蛛丝马迹。当看到远赴北美洲的旅行者写下的关于美洲麋角尺寸的报道之后，他认定二者就是同一个物种。那么为什么这种巨鹿在爱尔兰消失了呢？他推测其原因是空气中含有的某种毒素引发的传染病。

随后的一个世纪中，爱尔兰麋的化石不断地在不列颠岛和欧洲大陆的许多地点被发现，而学者们也因袭着莫利纽克斯的思路苦苦地寻觅着这些古代巨兽的现生同种后代们。后期的学者分成了两派，一派依然认为它们是麋（也称为驼鹿，包括我们前面提到的欧洲麋和美洲麋，它们与“四不象”麋鹿是不同的属种），还有一派则另辟蹊径，认为它们是驯鹿。

水火之争到将今论古

就在莫利纽克斯博士第一次对爱尔兰麋进行学术描述的20多年前，为了描述地层层序，丹麦地质学家N.斯泰诺在1669年提出了地层层序律，指出在正常的地层层序中，先形成的岩层在下，后形成的在上。

随后不久，英国博物学家约翰•伍德沃德发表了一系列论著——《地球自然历史论》（1695年，1702年）、《全球天然物体观察简介》（1696年）、《化石研究之路》（1696年）以及《英国化石博物学研究尝试》（2卷本，1728年，1729年）。

这些著作的问世，建立在伍德沃德对不列颠岛许多地区所做的地层结构考察和对采集的大批化石的研究基础之上。秉承着仁奈•笛卡儿等前人甚至于古希腊人关于世界水成的思想，伍德沃德经研究后提出了“洪积论”，解释不列颠岛地层形成的原因，认为《圣经》上描述的那场大洪水使原来的大地土崩瓦解，冲刷起来的无机物和淹死的生物混杂在泥浆般的洪水中到处泛滥。当洪水平静以后这些东西便开始下沉，金属、重矿物等重的物质以及较重的动物骨骼沉积到最底部的地层里，其上面的白垩层沉积了比较轻的海生动物，最上层的泥沙层中沉积了人和高等植物的遗骸。

18世纪的许多学者对这一理论顶礼膜拜并使之得到了继承和发展。到了1787年，德国著名地质学家亚伯拉罕•戈特罗勃•魏尔纳更是将其发扬光大，建立了在此基础上的“水成论”。

魏尔纳的地质学研究是从遍布在故乡萨克森的沉积岩地层开始的。受当时英国物理学家、化学家罗伯特•波义耳发现盐从水溶液中结晶沉淀的启发，魏尔纳认为，组成地壳的所有岩石都是由水溶液中沉积而成，水是改造地球表面的主要营力。最初，地球的整个表面都覆盖着海洋。海水中溶解的矿物质最先沉积出花岗岩、片岩、片麻岩、蛇纹岩、石英斑岩和正长岩等结晶状岩石。他称这些“深海化学沉积岩”为“原生岩层”。石灰岩、页岩、板岩、杂砂岩等“浅海沉积物”被他称作“过渡岩层”，认为也是化学沉积物，但是其中掺杂了一些陆源碎屑。砂岩、凝灰岩、岩盐、石膏、煤、玄武岩和黑曜岩等被认为是更浅水的沉积物，称为“层状岩层”，而且其中也有化学沉积物。最后，他把常见的未成岩的泥浆、亚黏土、沙、砾石和火山渣等称为“最新冲积层”或“淤积物”。

然而，并不是所有的学者都赞成“水成论”的观点。还在伍德沃德的“洪积论”问世不久，意大利威尼斯修道院的院长安东尼奥•拉扎罗•莫罗就提出了“火成论”这一针锋相对的学说。莫罗目睹过埃特纳火山和维苏威火山的爆发，对那不勒斯附近的蒙•努奥伏火山锥以及地中海地区其他的火山现象进行过多次考察。这些火山现象使他坚信，地层的形成是由地球内部的热力驱动的。最初的地球整个被水覆盖，下面的固体部分是无高低起伏的较为规则的球形；后来，地下热力的作用把深层的物质带上来，由火山喷发而形成岛屿、山脉甚至大陆。更晚一些出现了生物。岛屿、山脉和大陆之间存在裂隙和凹地，土壤、泥沙、硫磺、金属以及各种矿物沿着裂隙从地下喷出后沉积在凹地中，于是形成了各种地层，其中也埋藏了死亡生物的遗骸。1760年，意大利学者阿尔杜伊诺将岩石分为3层：第一层为结晶岩；第二层为含化石的成层岩石；第三层为半胶结的层状岩石，常含海相贝壳化石。

“火成论”的提出同样赢得了一些学者的支持因而也得到发展。例如，法国学者尼古拉•戴马列就论证了奥芬涅玄武岩属于火山成因，纠正了水成说的错误观点。最终的集大成者，则非英国地质学家詹姆士•赫顿莫属。

1785年，赫顿在爱丁堡皇家学会宣读其经典大作《地球理论》，宣告了其“火成论”的观点。1785年～1788年，他经过专门的野外考察，确证花岗岩是火成岩而非水成岩，而变质岩则是由于地壳运动而形成。1795年他又在爱丁堡皇家学会上作了关于“火成论”的报告并出版了其中的前两卷，第三卷则在他逝世两年后的1799年出版。

赫顿把地球看作是根据化学和力学原理构成的“一台特殊结构的机器”，“在地球上起作用的主要的力有重力、燃烧和冷却、太阳光、电和磁力，这些力不仅引起现代的地质现象，并在过去的时期里也产生着相同的作用”。赫顿认为，在地表上一方面能观察到陆地上的侵蚀和破坏作用，另一方面也可以看到海底的沉积作用，海底也能够升出海面形成新的陆地。他把堆积物升出海面的原因和动力归因为“地球的地下火”，指出地下火能够使熔岩流喷出而成火山。地球经历了一个周而复始、无穷无尽的发展过程，旧大陆形成和破坏及新大陆的形成经常在发生着。

撇开“水火相争”的成分，赫顿认为，现实世界中的地表侵蚀过程、成岩作用及地壳上升等现象，可与过去发生的进行类比，开辟了地貌均变论之先河。地貌均变论是一种以最简单方式解释地貌发育的认识论。将自然环境的演变视为小尺度的、不断起作用的过程。

均变论的思想后来由被誉为“现代地质学之父”的莱伊尔继承并发扬光大。1830年1月，莱伊尔出版了他著写的《地质学原理》第一卷（1831年出版第2卷，1833年5月出版第3卷）。他坚持并证明地球表面的所有特征都是由难以觉察的、作用时间较长的自然过程形成的。他指出地壳岩石记录了亿万年的历史，他承认陆地的升降运动，把意大利塞拉比斯寺院的三根石柱（它们曾部分被海水淹没）作为《地质学原理》的刊头画，并指出斯德哥尔摩附近海面以上几十米的海生动物的贝壳证明了陆地的上升。他指出，要认识地球的历史，无需求助于《圣经》或其他超自然的力以及灾变，因为通常看来是“微弱”的地质作用力（大气圈降水、风、河流、潮汐等），在漫长的地质历史中慢慢起作用，就能够使地球的面貌发生很大的变化。莱伊尔强调“现在是认识过去的钥匙”，这一思想被发展为“将今论古”的现实主义原理和科学方法，后来对达尔文的影响很大。

莱伊尔之后，均变论在长达近一个世纪的时间里成为地质学的信条，奠定了现代地质学的科学基础。20世纪60年代以前的地质学教科书，几乎异口同声地说“莱伊尔用均变论统一说明了地质现象，建立了科学的地质学”。

补记

1794年～1799年，威廉•史密斯受雇于修建“萨默塞特煤矿运河”的运河公司，为运河的修建进行线路测量和调查。期间，他踏遍了大半个英格兰的山山水水，熟悉了运河穿过的所有岩层并且采集了许多化石。到1796年1月的时候他已经发现，岩性相似的地层可以根据其中埋藏的不同化石组合来进行区分。同时，他开创了用不同颜色在地图上标著不同的地层在周围山上出露状况的方法——这就是早期地质图的雏形。

随着从不同地点、不同岩层采集而来的化石积累得越来越丰富，那一个挨着一个地挤在一起的螺壳蚌壳化石、一块块饼干似的菊石、岩层面上的一张张树叶化石，等等等等，开始引他陷入沉思。这些化石之间、以及与埋藏它们的岩层之间的关联是随机无章的还是存在某种规律的呢？为了阐明各地方的地层层序间的对比，威廉•史密斯在1799年提出了“化石层序律”。这一原理成为了地层学的基本原理，它实际上揭示了生物进化的不可逆性和阶段性，是生物地层学的基础。

地层学发展到1829年，J.德努瓦耶把上文提到的意大利学者阿尔杜伊诺的第三层之上的松散沉积层称为第四系，而原来的第一层大致相当于前中生代，第二层大致相当于中生代，第三层即第三系。这便是我们现在常用的地质时代大框架的由来。