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科学大争论——化石是怎么回事?

2018-02-05 方舟子 方舟子 方舟子

                              (上)


    化石是保存在岩石中的古生物遗骸或遗迹,这在今天是众所周知的事实,即使是最顽固的神创论者,对此也不会有什么争论。但是对古人来说,这个事实却不是那么显而易见的,直到18世纪,科学界对化石是不是源自生物体,还充满了争议。


    国内有的文章称,北宋沈括(1031~1095)最先揭示化石成因,比达·芬奇早了400多年云。沈括在《梦溪笔谈》中的确提到,在太行山崖间有螺蚌壳,据此认为这一地带过去乃是海滨。此前唐朝书法家颜真卿(709~785)在《麻姑仙坛记》已有“高石中犹有螺蚌壳,或以为桑田所变”的说法。比沈括稍后的朱熹(1130~1200)也提到:“常见高山有螺蚌壳,或生石中,此石即旧日之土,螺蚌即水中之物。”他们说的螺蚌壳,实际上是贝壳化石,但是他们显然是把它们当成了真正的贝壳,并不能据此说明他们对化石的来源已有正确的认识。


    贝壳化石与现在的贝壳非常相似,并不难推测它们的来源。古希腊人比中国古人早了一千多年就已有类似的说法。第一个较为准确地指出化石的来源的是古希腊哲学家色诺芬尼(公元前570~480)。他在内陆和山上发现了贝壳,在意大利西西里岛的采石场发现了鱼和海草的化石,又在马耳他岛发现了各种海洋动物的化石,据此得出了一个在当时相当超前的结论:山脉必定曾经位于海中,地球在历史上多次交替出现世界性大洪水和干涸。此后几位古希腊哲学家也都表示了类似的观点。


    要接受这种观点,首先必须相信世界是非常古老的。这对古希腊哲学家来说不是个问题。但是到基督教在西方世界占据统治地位后,人们的世界观就完全不同了。在基督教看来,世界是在几千年前由上帝在六天内创造出来的,这样的世界观让人们对化石感到疑惑不解。既然世界历史这么短,显然不能认为化石是生物体经历了长期的历史过程而遗留下的遗迹。何况化石的种类、形态是如此繁多,它们的成因似乎也应该是多种多样的。


    比如恐龙、大型古哺乳动物的骨骼化石,很容易看出它们是骨头,但是在现存生物中又找不到对应的部分,因此它们就被认为是古代巨人或神话动物的遗骨。类似的,中国古人也把这类化石当成“龙骨”,要么是龙死去后的遗骨,要么是龙脱胎换骨时蜕下的。


    大多数化石并不像贝壳或鱼化石那么好辨认。许多化石与当时人们已知的生物都没有相似之处,因此很难让人把它们与生物体联系起来。例如尖锥状的箭石(乌贼等头足纲动物的内壳化石)和海百合化石。某些海百合化石有星状图案,这类化石就被认为是流星陨落后的产物,称为“星石”。当时人们说的“化石”指从地下挖出来的所有东西,岩石、矿石、宝石也包括在内。这种分类的混乱也导致了认识上的混乱,看上去不像生物体的化石理所当然地被归为了某种矿石。


    有些化石看上去与现存的动物很像,但是当时流行的观点却认为它们是和生物体没有任何关系的自然形成的石头图像,是由存在于石头中的神秘“塑造力”形成的。有些人相信它们是生物体的遗迹,但是是被诺亚大洪水淹死的动物遗留下来的。离奇一点的观点则认为它们是动物交配时精液溅到岩石上长出来的类似生命的东西。还有人认为它们也许是魔鬼的恶作剧,是为了破坏人们对上帝的信仰。


    想要对化石有正确的认识,首先必须冲破基督教世界观的束缚,而这只有到了文艺复兴时期才有可能。在1500年左右,达·芬奇(1452~1519)试图复活古希腊哲学家对化石的看法。他注意到在意大利北部亚平宁山脉的岩石里有贝壳和珊瑚化石,那里离海岸很远,这些海洋生物化石是怎么来的呢?有人认为是诺亚大洪水把它们从海里冲到山上来的。达·芬奇认为这是不可能的,因为据说诺亚大洪水是下暴雨引起的,雨水会携带着东西流向大海,而不是相反地把海里的东西冲到陆地。而且许多贝壳化石太脆,经不起长途跋涉。贝壳分布在不同的岩层,也不像是一次大洪水造成的。


    达·芬奇在其笔记中提出这样一个设想来解释岩石中的贝壳化石是怎么来的:河水流到大海时,浑浊河水中的泥沙沉淀下来,也把贝壳埋在了泥土中。由于缺少养料,这些贝壳死去了。随着时间的推移,海平面降低,海水消退,泥土变成了岩石,贝壳跟着变成了化石。达·芬奇不是最早想到化石与地质变化的关系的人,但是最早对此做了系统的论述。可惜,他生前没有发表这些离经叛道的说法,没有造成任何影响。


    1565年,瑞士医生和博物学家格斯勒(1516~1565)出版了一本小册子《论化石物体》。这并不是历史上第一部化石专著,但是有两点让它显得很突出。它包括了大量的化石插图,是根据格斯勒本人和同事的化石收藏绘制的。以前有关化石的著作很少有插图。其次,格斯勒尝试对化石进行较为合理的分类。此时“化石”仍然包括岩石、矿石、宝石等在内。格斯勒将它们分成15类。这些分类在今天看来有的当然显得很奇怪,例如他把棘皮动物化石、新石器时代的石斧、矿石归为一类,把名称与鸟有关的石头都归为另一类。但是有的分类是根据化石与现存生物的相似性来划分的,例如“外观像珊瑚”、“外观像海草”、“外观像昆虫和蛇”的分类。


    尽管格斯勒并没有意识到化石是生物体的遗迹,但是他通过插图以及把化石与生物体比较进行分类,突出了化石与生物体的相似性,促使人们去思考这些问题:化石是不是生物体的遗迹?它们是怎么进入岩石的?它们是什么时候进入岩石的?生物体是怎么变成化石的?但是还要再过100年,才有人开始通过科学研究来回答这些问题。


                             (中)


    直到17世纪下半叶,化石才真正成为了科学研究的对象。几名博物学家先后令人信服地证明了化石必定是生物体的遗迹。其中最早发表其研究成果的是英国博物学家、物理学家罗伯特·胡克(1635-1703)。在1665年出版的《显微图谱》一书中,胡克描述了他用显微镜观察一块腐朽的橡木和木炭,并将它们和石化木做对比。他指出,石化木不仅有木头的形状、构造,而且它上面的微孔与几种木头的微孔十分相似。


    当然,石化木和木头也存在着一些差异,一名合格的科学家不应对此视而不见,不仅要报告对自己有利的证据,也要能解释不利的事实。胡克详细地列出了7个不同之处:一、石化木比木头重;二、石化木像燧石一样硬;三、石化木的微孔显得比其他部分黑;四、石化木无法燃烧;五、滴几滴醋到石化木上,会产生许多泡沫;六、石化木像燧石一样易碎;七、石化木摸上去和木头非常不同,感觉比木头冷,更像矿石。


    这7条差异中,除了第3条,都是石化木做为一种石头所应该有的属性。对第3条,胡克也给出了合理的解释:石化木的微孔不是空的,而是由更暗淡的物质填满了。这样,胡克不仅指出了石化木与石头的相似之处,也解释了它们之间的差异之处,说明了石化木就是石化了的木头。


    由于石化木与木头很像,并不难猜测它们之间的关系。沈括的《梦溪笔谈》就有河岸崩塌,发现地下有一片竹笋,“凡数百茎,根干相连,悉化为石”的说法。但是胡克并不是只简单地下断言,而是做出了正反两方面的详细论证。他进而推广到了其他化石,得出结论说,化石的形成不是由于土地中的“塑造力”,而是来自生物体。这些生物体被洪水、地震或其他自然力量带到了某个地方,被填上了泥浆、粘土、带泥沙的水或其他物质,随着时间的推移逐渐变硬,“浇铸”出了“有图像的石头”。


    与此同时,在欧洲大陆也有人做类似的研究。1666年,意大利托斯卡纳的渔民抓到了一条大鲨鱼,托斯卡纳大公命令将它的头送给正在当地行医的丹麦博物学家尼古拉斯·斯蒂诺(1638~1687)研究。斯蒂诺解剖后发现这种鲨鱼的牙齿与一种被称为“舌石”的石头非常相似。人们很早以前就在马耳他岛发现有奇怪的类似舌头的石头,古罗马博物学家老普利尼认为它们是在月亏的时候从天上掉下来的。也有人认为它是在岩石中自然而然地形成的。斯蒂诺注意到这些石头的形态与鲨鱼的牙齿相同,只是要大得多。因此他推断“舌石”是古代大型鲨鱼的牙齿化石。第二年斯蒂诺向伦敦的王家学会提交了论文公布其发现。这是第一篇研究化石的科学论文。 


    那么鲨鱼的牙齿是怎么跑到了岩石或岩层里头去了呢?斯蒂诺推断包含化石的岩石必定曾经是沙,所以生物体能被埋在里头,以后沙才石化成了岩石。斯蒂诺进而推断,最先沉淀形成的岩石位于最底层,后来沉淀的岩石位于上面,越往上的岩层越年轻,岩层的分布反应了地球的历史事件。斯蒂诺在1669年发表的一篇“论文序论”概括了这些原则,被认为是地质学的奠基之作。但是在这篇序论发表后不久,斯蒂诺就皈依天主教,不再从事科学研究,论文没了下文,有待后人进一步的阐述。


    在今天看来,胡克、斯蒂诺的论证非常有说服力,应该很快被普遍接受才对。实际上却并非如此。他们只是孤独的先驱,大多数学者仍然相信化石是自然形成的石头,否则怎么解释多数化石找不到与之对应的生物?又怎么解释海贝化石会出现在山顶上呢?这些问题的答案将会严重地动摇他们的基督教世界观,在当时是无法想象的。


    在1677年,英国牛津大学第一任化学教授普洛特(1640~1696)出版《牛津郡的自然史》,反驳胡克、斯蒂诺等人的看法。他认为贝壳化石其实与贝壳没有关系,而是矿物质结晶形成的。化石看上去和生物很像,纯属巧合,就像钟乳石或雪花也会长得看上去像生物一样。只有个别的化石他承认是生物体的残余,这主要是恐龙的骨化石。当然,普洛特不知道什么恐龙,而这些骨头对现存生物来说又太大了,因此他把它们当成是《圣经》所记载的巨人的骨头。这些巨人被诺亚大洪水淹死了。


    即使到了18世纪初期,对化石的研究仍然深受《圣经》记载的影响。1726年,瑞士博物学家余赫泽(1672~1733)出版研究化石的著作,还把化石当成要么是“大自然的恶作剧”,要么是诺亚大洪水的遗物。他把一个特别大的化石描述成在大洪水中丧生的巨人的骨头,证明着《圣经》记载的真实性,因此把它命名为“大洪水的见证人”。它实际上是一种史前大蝾螈的化石。


    更可笑的事件发生在德国。乌兹堡大学医学院院长柏林格(1667~1740)坚信化石不过是“一种大自然的作者(上帝)自得其乐地埋藏起来的特殊石头”,不仅喜欢收藏化石,而且爱炫耀其藏品和做有关演讲。1725年,他的两名同事对柏林格的傲慢很不满,想让他出出丑。他们雕刻了一些假化石,收买了一名被柏林格雇佣替他挖化石的男孩,叫他把它们挖出来献给柏林格。


    这些“化石”和其他地方发现的化石大不相同,更像是一幅幅画像:有眼睛的鸟、在结网的蜘蛛、在交配的青蛙、在采蜜的蜜蜂、光芒四射的太阳、带尾巴的彗星、星星,更进一步证实了化石的确是“上帝制作的艺术品”。后来挖出的化石甚至有上帝的签名:用希伯莱文写的“耶和华”!


    柏林格很快地写成一本著作,准备公布这个重大发现。这时候,那两名同事觉得自己做得太过分了,告诉柏林格真相,但是柏林格不为所动,认为他们是出于嫉妒,阴谋埋没他的重大发现。柏林格在1726年出版了其著作。几个月后,柏林格才醒悟过来,据说是因为挖到了一个用希伯莱文写着他的名字的“化石”,才让他明白的确被捉弄了。传说柏林格羞愧难当,花巨资试图把其著作都收购回来销毁,并很快郁郁死去——这最后一条显然不符合事实,因为柏林格此后还活了14年。


    此时,化石是生物体的遗迹的观点已开始在学术界占据主流。瑞典博物学家林奈(1707~1778)在1735年出版《自然系统》,试图为所有的生物进行分类,其中就包括化石,并用和生物一样的命名法进行命名。妨碍人们相信化石源自生物体的,主要是宗教信仰。伯林格的悲剧不过反映了思想僵化的学者为了其信仰会偏执到何等程度。


                               (下)


    在17世纪的西方世界,妨碍人们接受化石是生物体的遗迹的,主要是基督教的信仰。反过来,一旦化石的生物起源被确认,宗教信仰也就不得不发生动摇。首先面临的一个难题,是如何解释遗留在山上的海洋生物化石。与基督教《圣经》的记载调和的唯一希望,是认为化石是在诺亚大洪水中灭亡的动物的遗迹。但是正如达芬奇和胡克先后指出的,这种说法似是而非。与《圣经》调和的希望,在发现化石是分层分布的之后,就被彻底地粉碎了:仅仅一次的大灾难,如何能使化石形成分层分布,而且每一层都有独特的动物和植物的化石?世界肯定要比《圣经》所说的古老得多。


    另一个难题更加令人难堪:化石所代表的生物,有许多在现在似乎不存在了。例如斯蒂诺研究的“舌石”是古代大型鲨鱼的牙齿化石,而这种大鲨鱼在今天并没有发现。胡克在其死后出版的《关于地震的对话》一书中描述了许多奇怪的化石。例如有些化石是巨大的螺旋体,能重达400磅,看上去就像盘起来的蛇,因此被称为“蛇石”(现在称为菊石)。这些化石并没有现存的生物与之对应。胡克将它们和鹦鹉螺进行比较,认定它们属于某种已不存在的软体动物(我们现在知道菊石是已灭绝的头足纲动物的化石)。因此他猜测生物物种也许有一个固定的“寿命”。这意味着物种会灭绝,同时也会产生新的物种。胡克是这么说的:“在以前的年代里有许多其他物种在现在我们不能找到;而且,在现在也许有种种当初没有的新物种,这也并非不可能。”


    在今天,物种会灭绝,是尽人皆知的事,我们人类的活动就造成了许多物种的灭绝。但是对19世纪以前的西方人来说,物种灭绝是难以想像的。这首先也是由于基督教信仰。全能、全知、全善的上帝怎么可能会让物种灭绝?即使在上帝决定要让大洪水淹没整个世界的时候,也记得让诺亚把所有动物都一对一对地带上方舟,以保证所有的物种都能延续下去。何况,所有的生物都是上帝设计、创造出来的,如果认为物种会灭绝,就是在认为上帝的创造物会是不完美的,是上帝在设计生物时出了差错,这种想法简直是在亵渎神灵。一名虔诚的基督徒必须相信,所有的生物都是在六天之内由上帝创造出来的,而且一样不缺地一直繁衍下来。


    西方传统的自然哲学思想也让人难以接受物种灭绝的观念。亚里斯多德在对生物进行分类、比较时,认识到可以对不同的生物按从简单到复杂的次序进行排列,构成一个等级系统。在他看来,自然界存在着从非生物、植物、动物到人的连续序列,组成了一个从最不完善的事物上升到最完善的事物的线性链条,每个事物都是这个链条中的一环。他把这称为自然界等级。这个看法后来被发展为“自然界阶梯”或“事物大链条”的观念。这种等级排列是上帝为世界制定的理性蓝图的一部分,它代表着大自然永恒而和谐的秩序,从神创之日起到现在都是一直如此,没有变化。如果某个物种灭绝了,就意味着“自然界阶梯”少掉了一级,“事物大链条”被打断了,世界不再是完美的了。


    因此许多人认为,虽然有些化石在现存生物中找不到对应的物种,并不能说明这些物种已经灭绝。没有在地中海发现斯蒂诺说的大鲨鱼,或没有在英国海域发现胡克说的巨型软体动物,并不等于它们就灭绝了。也许它们数量过于稀少,因此没有被采集到。也许它们还躲在某个偏僻的地方有待发现,例如生活在遥远的海域或者海洋深处。寻找这类未知的生物,在当时成了科学探险的一部分。例如,在1803年,路易斯和克拉克开始穿越美国大陆的探险时,当时的美国总统杰菲逊要他们寻找一种巨大的草原狮子。杰菲逊认为他见到的一个大爪子化石是这种未知的大狮子留下的。其实那块化石是属于一种已灭绝的大型树懒的。但是杰菲逊相信“事物大链条”的观念,不相信物种会灭绝。


    要证明某种东西存在,很容易,只要找到它就行,而要证明某种东西不存在,是非常困难的,找不到它并不等于它不存在。而且某些原先被认为灭绝的物种,后来的确被找到了,最著名的是1939年在东非发现的矛尾鱼,在那之前这种鱼被认为已在7千5百万年前灭绝。


    不过,到了19世纪初,法国古生物学家居维叶(1769-1832)还是能够令人信服地举例说明,至少有某些物种已经灭绝了。他不以海洋生物为例,因为海洋的绝大部分区域都还未被人类探索过,很难证明某种现在没有发现的海洋生物不会藏在某处的深海;的确,直到今天我们还在不断地发现海洋生物新物种。居维叶选择了陆地生物,而且是最能引起人们注意的大型哺乳动物。他指出,有许多种大型哺乳动物的化石与现存的哺乳动物类似,然而又不相同,例如在西伯利亚发现的猛犸象化石和在美洲发现的乳齿象化石,显然都是某种象,但是和现存的亚洲象和非洲象的骨架并不相同。如果这些化石所代表着的大型哺乳动物还生存着,那么是很容易发现的。既然它们在世界各地都未发现,那么可以认定它们已经灭绝了。当时还有非洲和南美洲内陆未被完全探测过,不过居维叶认为他所说的几十种大型哺乳动物不太可能全都被隔离在那两块地方,如果以后能在其中发现几种,已经是很难得的了。


    那么是什么原因导致了这些物种的灭绝呢?居维叶和他的同事通过研究巴黎盆地众多的采石场,发现那里的地层可分为五层,每一层都有独特的化石群:第一层(最上层)是生活于淡水湖和沼泽地的动植物,第二层主要是海洋贝壳类动物,第三层又是淡水生物,第四层主要是海洋生物,少数是淡水生物,最下一层是淡水贝壳类动物和木头。这些海洋生物化石表明巴黎盆地在历史上曾经几次被海水淹没过。居维叶据此提出了灾变论,认为在地球历史上,周期性地出现大灾难,海洋淹没了陆地,灭绝了那里所有的生物。在海水退下之后,在未被淹没的地区的陆地生物迁移到新出现的土地。居维叶相信,这样的大灾变至少出现过三次。


    居维叶还注意到,化石不仅是分层分布的,而且呈现出从简单到复杂的顺序,在他所知道的最古老的岩层中,只有腔肠动物等海洋无脊椎动物的化石,可能还有鱼化石,第二古老的岩层含有蕨类和棕榈树化石,但是没有陆地脊椎动物化石。在第三层出现了独特的陆地爬行动物和某些已灭绝的鱼,再往上一层的化石中有许多种巨大的爬行动物和单子叶植物,晚近的一层才出现哺乳动物。居维叶相信物种是固定不变的,因此他不认为从简单到复杂的化石顺序表明了生物的进化。相反地,他认为这种化石顺序不过表明每一次灾变都是在为幸存的更高级的生物创造繁衍的机会而已。他发现有证据显示在5~6千年前在世界范围内出现过大洪水(实际上是1万年前更新世冰川融化的痕迹),他认为这最后一次灾变自然是在为“造物主最后和最完美的作品”——人类——清理舞台了。这最后一次灾变很容易让人联想到诺亚大洪水,因此灾变论就成了神创论者的一根救命稻草。


    但是一根稻草并不能真正救命。虽然居维叶仍然想要挽救神创论,但是他的这些观点都与基督教世界观格格不入:地球并不年轻,而是极为古老;世界并非一成不变,而是处于变化之中。一旦知道地球的历史极为古老,而且物种会灭绝,进化论也就呼之欲出了。虽然居维叶对物种灭绝的解释是错误的,但是他的一系列发现已为进化论扫清了道路。当达尔文的《物种起源》在1859年发表时,人们已普遍接受化石能显示地球和生命发生的历史变化,古生物化石成了生物进化最直观的证据。


2009.11.18

2009.11.25.

2009.12.9.


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