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| 第九章 化石记录 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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第三部分 化石发现 第九章 化石记录 我发现要看见近在眼前的东西是多么难呀！ ──路德维格·维特根斯坦[1] 我曾经爬上华盛顿州蓝湖上的悬崖，进入到一个熔岩层的洞穴里。洞内的情景令人惊愕不已。我置身于一个含有被熔岩掩埋了的犀牛的土质层中。随着熔岩层的硬化，土质层就铸造了一具犀牛的尸体化石。虽然尸体已经荡然无存，但我能保证这曾经有过一只犀牛，要说起“其中的故事”，肯定很吸引人。当这只犀牛被熔浆埋葬时，它是靠左侧躺着的。它的短腿的凹处还清晰可见。岩石的压痕也很清晰，我能清楚地分辨出它的眼睛和皮肤的褶皱。这只犀牛的骨头早就在洞穴中被发现，并已送往博物馆，以证实对洞穴的鉴定。 我们认为有关远古时代任何生命的证据便是化石。因此，犀牛在岩层中的铸模和它的遗骨都可以认为是化石。化石可以有多种形式，比如说先从树中渗出而后转变为琥珀的松脂内保存的一只昆虫的真身，或是岩石中完全被其它矿物质所代替的一只贝壳。它们甚至可以是恐龙的遗骨或其它不熟悉的动物，比如说一只翼幅达15.5米的飞行爬虫动物[2]。当然也包括海龟保存在沙岩层中的脚印。 在本章中，我们将考虑一下有关化石的一般信息，包括它们的形成和鉴定时遇到的难题。特别是化石在地质堆积柱中的顺序。这一信息对理解接下来的两章的内容极其重要。 魅力无穷的化石 化石的部分魅力毫无疑问来自于对有时称为“伟大历史”的好奇──换句话说，就是地球上所有生命的历史。化石对于起源问题极其重要，因为正是它们为过去生存在地球上的自然生命提供了最好的科学线索。虽然化石搜寻者面对的是死物，但他们会根据自己所见的去想去感觉，使每一个化石都“死而复生”[3]。很难解释这种奇妙性，但世界上私人和公共的博物馆内陈列的不计其数的化石确实又证实着这些事实。科学家们已经确定了大约25万种化石的年代。虽然这25万仅仅是生物种类数量的五分之一，但既然不同的专家根据不同的标准来分类，那么这种比较也许就不那么有据可寻了。 许多科学家倾其一生，致力于化石研究中，其中有的是如此呕心沥血，以致于他们的古怪性格已经成为时而幽默，时而令人厌恶的古生物学──化石研究的一部分。 Edward Drinker Cope（1840—1897），这位最终进入宾夕法尼亚大学学院的学者和耶鲁大学的马什（Othniel Charies Marsh,1831—1899）可以称得上是美国脊椎动物古生物学的先驱。他们二者描述了成百上千种有机体化石。这些化石有的是他们自己挖掘出来的，有的是他们托别人在美国西部考察时从广阔裸露的地质层中收集来的。Cope和马什对化石的热爱远远超过他们之间的友情，并且他们在这场“伟大的骨头之赛”中一直都试图超过对方。不幸的是，美国西部对于这两位狂热的收集家来说太小了。在生物学和古生物学上，一般第一个描述一种有机体的人就有优先给它命名的权力，并且他或她的名字也常与该物种的命名相联系。Cope和马什经常为争当新物种命名者而竞争。马什能够在《美国科学期刊》上迅速发表文章，而Cope拥有并编辑《美国自然主义者》。 人们经常谈论他们二人在费城一个会议上发生的无耻争执。Cope在会议上声称自己第一个发现了西部二叠纪时代的爬行动物。根据传闻，马什那天很早就离开了会议厅，回到他的实验室，仔细观察某些样品之后，草草出版了一篇文章，声称自己是美国第一个报道二叠纪时代脊椎动物的人。在这样写的时候，他完全忽视了Cope的声明。气极败坏的Cope马上发表了自己的报道，并宣称早在三个星期以前，他就已经发表了这个声明[4]。 另外有一次，Cope在匆忙中组装了一具爬行动物骨骼，其中他混淆了某些颈骨和尾骨。马什很快就指责他把该动物头装在了尾巴上，导致Cope不得费尽心思撤销《美国哲学界会报》(Transactions of the American Philosophical Society)的出版，因为他曾经在此刊物上刊登过错误的动物模型[5]。 1890年，这两位科学家交战的细节登在了《纽约通报》(New York Herald)上。Cope有一次指责马什，说他曾抄袭过俄国科学家Vladimir Kowalevsky有关一系列马化石的研究理论，这些理论已出现在许多生物学和古生物学教科书中。在下期的《通报》上，马什否认有过这样的做法，并反过来指控Cope和Kowalevsky是世界博物馆的化石掠夺家。马什还这样说到：“Kowalevsky最终因深受良心的责备而开枪自杀，结束了他不幸的一生。然而，Cope还活着，死不悔改。[6]” 这场争执在《通报》曝光之后，渐渐沉静下去，只留下一点余声。在某种意义上说，我们应该意识到这场竞争对于古生物学是很有益的。这两位科学家的科学作品数量非常可观，虽然有的工作还比较拙劣。在38年中，Cope一人就出版了1400篇科学论文[7]。 化石是怎样形成的 青蛙留在泥中的脚印和死在田中的蚱蜢，通常是不会保存下来的，因为在这些有机体或它们的痕迹被掩埋之前，机械的和化学的变化早就把这些证据毁灭了。形成化石是一件很稀罕的事情。“总体上说，有机体被埋藏的速度越快，其沉淀物的覆盖物越紧密，它被保存的机率也就越大。[8]”珊瑚礁却是一个值得注意的例外，因为新的礁岩物质生长在珊瑚骨架上，当它们形成礁石的化石结构时，保护并保存着珊瑚架。 化石几乎只出现于沉积岩中，比如说石灰石、页岩、砂岩或者砾岩石中。它们在许多岩层中都无法找到，只在几个位置会大量存在。在异常情况下，它们有可能藏在火山爆发的沉淀物中，更难得的是，它们可能出现在花岗岩里[9]。 化石形成的整个过程中，变化的产生历时很久。这些变化有可能是非常细微的，就好比一头冰冻的毛象，变化极小，但大部分情况都是坚硬部分得以保存，像我们通常所见的都是骨骼化石和壳化石。有的化石，比如说木头和骨骼，是很难改变的。有时，有机体原有的小“毛孔”空间被矿物所填充，有时，这些原来的壳、骨骼或木头被矿物质完全替代了。原始有机物质（组织）就释放出大量的氢、氧、氮。在某种情况下，有机物质会以印刻的形式留下一层薄薄的碳印。 很多化石都保存完好，而有的有缺损，还有一些，我们甚至不能确信它们是否是真的化石。 假化石问题 对于那些指着一块看似很平常的石块大谈化石种类的古生物学家，我会惊异不已。不管怎样，对于某些断言，我都保持一种坚定的怀疑论。有的古生物学家指责别人没有“专业眼光”的说法并不能减轻别人对他们所作的主张的怀疑。判断某块岩石内的某种特别形式是否是真正的化石，在某种程度上说，并非轻而易举。由于干燥引起的保存下来的泥土弯曲，有时被人们解释为蟹部分身体的化石；暴风雨中，物体运动造成的拖痕被认为是虫爬的痕迹；黄铁矿那似玫瑰形的化学沉淀被解释为水母，因为其上有气泡印记[10]；有的海绵状有机物化石(archeocyathids)被证明是无机物结晶后的产物。古生物学者用术语“伪化石”和“疑化石”来描述假的或可疑的化石[11]。弥足珍贵的《无脊椎动物古生物学论文》[12]中例举了69种在出版时被描述为“有机体化石”的物体，最初被验证为珊瑚、海藻、菌类、海绵、蛇等等，现在看来很可能是非生物种类。这些鉴定错误的物体看来都是异常沉淀的产物。Brooksella canyonensis是一块类似于星星形状裂痕的“化石”。对其来源的解释给人留下深刻印象：（1）这是水母的躯干化石，（2）由气体逃逸产生的无机碎裂系统的一个迂回印痕，（3）压缩的结果，（4）一个不断增大的星星状地洞的印痕，（5）或者可能是一只虫的杰作[13]。不管怎样，虽然我们不应该无睹于这些假化石的例子，但我们也应时刻牢记在这世界上还是存在许多精美的化石。 假化石问题在地质层记录的最底部特别严重，因为那儿是进化论者预期的最早、最简单生命形成的地方。某些古生物学者固执的苦苦寻找生命的最早形式。一本专业文献上已报道了许多固执倾向可能的候选人。另一方面，有几个研究者已经能够通过非有机物沉淀或特殊沉淀伪造这些简单生命的形状。球状、试管状或盘旋状的特色化石形状，都可以轻而易举在试验室中通过简单的无机化学过程再造出来[14]。为了古生物学者的名誉，有的古生物学者一再地告诫人们不要过于相信某些地质学者所认为的远古时代，即太古代的有关化石的说法。这一领域的两位专家：William Schopf和Bonnie Packer，在讨论来自至少28处太古时代位置的微化石报道时说到：“不管怎样，所有这些实际上都已经被重新论断为可疑化石或者根本就不是化石：而是伪化石，人工制品或者是污染物质。[15]”古生物学者Richard Cowen，这样评论说：“只有少量的太古时代的细胞化石是纯正的，这些只占那些所谓化石的一半或根本就不到一半。[16]”哈佛大学的Roger Buick也提到了大量关于在澳洲北极发现的原始化石的鉴定难题[17]。（之所以叫它北极是因为，就像真正的北极一样是蛮荒之地）。一句古老的地质格言“不信则无”用来评论这样的例子再恰当不过了。 假化石问题越来越集中于叠层问题上，这是一种层次清晰的沉淀结构，通常在几厘米到几米的范围，并以堆状或波浪状的形式出现。叠层在水下生成，为生长在其表面或沉淀矿物质上的微生物提供赖以生存的薄垫，然后，被并入地质层结构中。问题就在于叠层化石是由生物形成的，还是仅仅是随着地质变形而变化的地质层所生产的被动累积。沉积学学者罗伯特·金斯堡（Robert Ginsburg）指出：“几乎所有关于叠层的信息一直以来处于并将保持在不断变化之中，并且争议不断。[18]”叠层专家保罗·霍夫曼（Paul Hoffman）也指出：“这些叠层有可能根本就不属于生物学的想法一直困扰着地质学者的研究。[19]”为了例证说明，他引用了西田纳西州二叠纪时代“海藻豆石”（由豆状球体地层构成的岩石）的例子。古生物学者最初认为这些豆石是按类似于叠层的生物方式形成的，但后来事实证明它们是通过化学沉淀形成的[20]。曾领导美国史密生研究所长达20年，著名的古生物学者Charles Walcott曾描述了叠层5个新属和8个新种类。这些新属种在当时被认为是生物的起源种类。然而，现在每一种都被多位研究者重新解释为非生物起源[21]。甚至，目前，“叠层”的形成还是一个谜。最近，越来越多的研究者重申一些在斯堪迪那维亚半岛不同地区发现的“叠层”实际上是非生物形成的产物[22]。无论如何，许多毫无疑问的活叠层确实存在于地球的表面。 地质堆积柱 所谓“地质堆积柱”指的是地壳岩石的一种完整排序，用一种合成的圆柱表示[23]。它类似于一张地图。在这个柱状图中，最古老的地层在最底部。你可以把地质柱想象成一个贯通于岩石地层的细长垂直切片，就比如说那些在亚历桑那州的大峡谷地区随处可见的岩层。在那个地区只有地质柱的下半部分能表示出来。用于地质柱主要分类的术语在图表9.1的左侧。虽然有的主要地层分类确实存在于某些位置，但完整的地质序列不可能在地球上任何一个地方都能找到。地质学家根据从不同地区收集来的相关信息组成了这一混合地质柱。为了寻求一个理想化的排列顺序，在解释上有细微出入是正常的，但总体上来说，这一地质堆积柱安排是合理可信的。各部分之间的具体关联以化石或/和不同地层的岩石为基础，但这一图表是根据辐射测年法和各个化石地层的相互关系建立的。有的地方化石之间关联紧密，有的地方却不然。当然，越低层的地层应该沉积得越早，也越古老。 地质柱中化石的排序对于分析解释过去的生命有重要意义。化石可以在它们所生存的环境和它们所代表的有机体起源方面给我们提供线索。时空和化石的年龄把我们带入了一个更广阔的起源景象──不管是像创造论解释的几千年，还是像进化论所暗示的几百亿年。 图表9.1 地质柱中有机体主要类型
简析地质堆积柱 那些寻找化石的人经常可以在不同的地质层发现各种各样的化石。图表9.1给出了一个概括性的以化石形式存在于地质堆积柱中的主要生命种类表。 地质堆积柱中的两个主要分类：前寒武纪和显生宙的巨大差异是不能过分强调的。前寒武纪存在于重要的寒武纪时代之下；而显生宙是从寒武纪一直往后延伸的时代。几个世纪以来，几乎就没人发现前寒武纪的化石；然而，在前寒武纪之上的地质层中却存在许多化石。最近，研究者们描述了大量的前寒武纪化石，但是，显生宙化石的巨额数量与其多样性保持着令人惊异的反差。地球上，生命历史的任何模式都必需把这种差异性考虑在内。 进化论者对太古代（最底层）生命进化最早形式的研究集中于南非的斯威士兰超级沉淀群和接近于澳洲北极的Warrawoona群。据说这两处地方都有大约35亿年历史。研究者在这两地都已发现小的纤维状化石。因为这些化石可能是真的，所以它们引起人们很大的关注[24]。有的进化论者把这些化石看作是已知生命的最初形式。 原生代（即前寒武纪的上半部分）相对来说存在大量叠层。在此，我们要特别提到美国五大湖区的Gunflint角岩。这种产生于原生代早期的角岩中存在保存完好的纤维状化石，这些化石与现代Lyngbya 和 Oscillatoria（蓝绿藻）极其相似[25]。 一些被称为acritarchs 的特殊球状化石产生于原生代后期。通常其直径约为0.05毫米，被认为是海藻细胞的某种形式[26]。产生时间越晚的，变化也就越大，体积也不断增加。有的古生物学者认为acritarchs称得上是稍高级的生命形式（优核生物），因为它们有细胞核，然而，有的古生物学家又驳斥这种解释。优核生物包括大量的有机体，比方说从显微镜下的阿米巴虫到新西兰的巨松。通过对比，进化论者认为无细胞核的细菌（原核生物）是最早进化的。还有另外一些较小的原生代化石正被描述过，其中包括小的瓶状未知物体（0.07毫米）。 在原生代的末期，接近于寒武纪的地层，我们发现独特的多细胞动物（埃迪卡拉动物群）[27]化石，特别是在澳大利亚和俄国境内。有的与蕨类植物、虫类、轮虫等相似，但与现存已知生物相差甚远。在该地层早一点的地层中，根本不存在稍高等（多细胞的）动物种类，而只存在一些简单的或是可能与海藻细胞相联系的不清晰的形式[28]。 尽管在鉴定前寒武纪化石的过程中存在许多的困难，但我们也确实碰到一些可信的例子。其中包括Gunflint角岩，the acritarchs、苦泉藻青菌、埃迪卡拉动物群，所有这些化石都来自于前寒武纪（即原生代）的后期。当然，我们也可以从属于前寒武纪早期（太古代）的无花果（非洲）和北极（澳大利亚）地区找到一些可疑的纤维状化石。 在前寒武纪这片几乎蛮荒领域上突然出现了许多重要的动物种类（见图表9.1）。科学家们通常把这一突然转变称为“寒武纪大爆炸”。根据分类系统，在该地质层中约有30到40个，或更多的动物门（门是动物界的主要分类）。在该地质层之上，几乎就没有或没有新的动物种类出现。这一剧变对于有关长期逐渐的进化过程的任何观点都是一种挑战。 在此，我们要特别提到加拿大洛基山脉著名的寒武纪伯吉斯页岩这一有趣的化石。研究者们在这收集的化石样品已多达7万3千多件。[29]类似的化石样品在中国和格陵兰岛也出现过。这些大块的软体有机体化石因它们的完好保存而闻名遐尔。有的化石类型是如此的独特，以致于研究者们提议用新的动物门来概括它们的分类有一种有机体很令人迷惑，于是它就被赋予了一个很合适的科学名称：Hallucigenia。科学家们一开始把它重组为一个躯干被延长了，依靠七对尖刺行走，并且躯体上带有触须的动物。然而有的科学家又认为尖刺和触须的位置应该倒过来。这就与软虫相关联，软虫有耳垂样的柔软的腿，但无尖刺[30]。另外一种猜测便是该化石有可能代表着一个巨型动物的某一部分。 几种陆生动物和植物，比如说蕨类植物和昆虫，也出现于寒武纪剧变以后的岩石地层中。哺乳动物最早出现在中生代的早期，而一些花类植物直到中生代后期时才出现。爬行动物统治着整个中生代，而哺乳动物和花类植物独霸了整个新生代地层。总的来说，海洋生物主要出现于古生代的早期，而陆生生物主要出现在该地层之上的部分。人类化石的出现是在该假设的地质时标的最后1/10000部分。最特别，最有趣的是脊索类动物门中各类动物化石出现的位置。该动物门包括各类脊椎动物，比如说鱼或者人类。该动物门似乎是随着地层的上升，其动物的复杂性也在不断提升。许多人认为这种特点是支持进化论的很好的证据。在下一章中，我们将仔细探讨一下这个问题并看看其它的解释。 在显生宙，有些动物出现大面积灭绝现象。当一种化石种类在一个地层大量出现，而在其上的地层中不再出现时，则该物种发生了大量的灭绝。恐龙的消失就是一个典型而又颇具争议性的例子。该物种的灭绝出现在寒武纪末期，奥陶纪、泥盆纪、二叠纪、三叠纪和白垩纪时期，以及第三世纪中期[32]。科学家们猜测了一些地表原因，比如说洪水和火山爆发，还有来自地球之外的原因，比如说大陨石的降落[33]。不管原因如何，化石记录确实证实了这场过去十分重要的大变动。 各抒己见 几个世纪以前，几乎没人想去分辨类似于有机体的化石与岩石中其它独特结构，比如说大块无机水晶，之间的区别。人们原来认为这两者都来源于某种流体的浓缩物或者是某种特殊的能量或精神活动。后来，在17世纪的后半时期，急论就开始集中于化石是非有机物（无生命）还是有机物（有生命）的起源问题上。 随着时间的推移，有关圣经中提及的洪水问题逐渐渗入到对化石的争论中。大部分学者都认同在几千年前确实发生过洪水的说法，并且也认为这场洪水是产生化石的主要缘由。对于这场洪水是怎样把这些化石分别分类置于地质层中去的，有人感到很纳闷。有的思考者认为这种分类是因为化石密度的不同造成的（越重的化石沉淀得越深），又有人提问为什么有的化石与现存所知的生命有机体区别这么大。甚至还有人想知道是否有足够的洪水来淹没欧洲的阿尔卑斯山脉。那时，大山脉在洪水之后抬升的说法并不流行。不管怎样，在18世纪中叶，人们普遍接受圣经中的洪水为一历史事件这一事实，并且认为化石是被那场洪水所埋葬的古代有机体遗迹。 然而在19世纪，思想界发生了翻天覆地的变化，不仅仅是关于化石本身的起源问题，还有关于产生这些化石的有机体的起源问题。岩石和生命的进化发展历时长久的观念针对化石的解释提出了许多问题。这些化石到底是创世纪中所描述的洪水造成的，还是千万年来进化的结果呢？我们将在下面的两章中详细讨论有关化石起源的各种观点。 结论 化石是一种很奇妙的东西，它告诉我们许多有关生命起源及起源的历史问题。对它们的解释与进化论和创造论的重要观点息息相关。它们几乎处于科学与圣经之争的核心位置。 对于化石的研究极其挑战性，也极具争论性。小心谨慎是很重要的。虽然有的化石保存完好，但也存在一些部分或已经严重腐烂分解而难于辨明的化石。有时，我们无法确信有的特殊形状的化石是否是纯正的化石。 地质堆积柱的底层部分存在许多简单低等生物。绝大部分动物出现于“寒武纪大爆炸”之后，然后在那之上的地层中各种各样的植物，爬行动物、哺乳动物和花类植物就大量涌现了。 几个世纪以来，思想家们对于化石起源问题各抒己见。有人认为化石是由于某种液体的浓缩的运动形成的。也有人认为化石代表着被圣经中的洪水掩埋的有机体，更有人认为它们是进化中的有机物的遗体。
参考文献 1、 Wittgenstein L. 1980. Culture and value. Winch P, translator; Wright GHv
(with Nyman H), editor. Chicago: The University of Chicago Press, p 39e.
Translation of: Vermischte Bemerkungen. |
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