地质学家是怎样得出“彗星撞击论”的?

进化与灭绝——一个科学之迷
灭绝现象不简单,生存下来不容易

  如果达尔文关于生物为了生态位而竞争的设想正确,那么新物种形成的速率应该与旧物种灭绝的速率达到平衡。但是,恐龙的灭绝是在短时间内突然发生的,迄今为止,还没有任何关于比马斯特里奇白垩更新的地层中发现过恐龙化石的可靠报道。是哺乳动物消灭了恐龙吗?这样的想法恐怕让每个人都会觉得是天方夜谈。当时的哺乳动物都很小,根本无力击败那些庞然大物;而且,它们的生态位与霸王龙或三角龙之类并不相扰,因此也不会发生激烈的生存竞争。

霸王龙

  因此,科学家就这个问题应该探究的决不是生存竞争,而应该是生物与环境之间的相互作用。根据化石记录和动物的选择性繁殖,达尔文明了生物的演化是及其缓慢的,生物个体在生命期限内发生不了多大的变化。例如,一种生物不能因为气候日益干旱而变成骆驼,只有经历了许多代的干旱之后,生物才能形成能够忍耐缺水的习性,或者形成某种防止失水的功能,并能够获得某种比那些没有形成类似习性与功能的物种稍强的繁殖优势。在这一过程中,无疑会有一些生物个体没有留下后代,因为即使是生态环境中连续发生的缓慢变化,对生物的适应能力来说也是太快了。

三角龙

 

  但是,地质记录本身也反映了两种截然不同的演化速率。有一段时间是平静时期,大多数物种保持不变,演化形成的新物种与灭绝的旧物种数量基本上保持平衡。但是也有一些时间里,物种形成速率极快,或者生物的灭绝速率极快。这些事件并不同时发生。首先,历史上出现诸如恐龙灭绝这样的大规模生物灭绝事件,随后是一个间歇期,这时期生物就像马尔萨斯所说的那样像兔子一样成倍地增长,然后分化形成新的物种,有时演化速率之快简直可以用“爆炸”来形容。

骆驼

  科学家已经发现了一种有趣的联系,就是快速的环境变化必然加速生物灭绝的速率,使之超过新物种的形成速率,因为任何生物通过演化而适应环境变化的速率是有限的。这时,旧物种的灭绝与新物种的形成所引起的竞争根本无从说起,只能证明那些趋于灭绝的生物不能适应环境变化而已。这时候再来套用达尔文所强调的生物之间相互作用的理论显然不对。

  以此推理,环境变化速率就应该成为生物灭绝问题的核心。因此,恐龙灭绝很可能是由环境的剧烈变化引起的。如果有一种灾变能够证明对某种生物灭绝现象的解释是正确的,那么达尔文的“规律”就会从根本上发生动摇。如果我们不能通过鉴定古生物化石和现代物种的研究来预测哪种生物将会灭绝、哪种生物可以幸存,那适者生存又有什么意义呢?

  预测结果是对适者生存学说的最后检验。可以说适应能力是是判断幸存者的标准,也可以定义适应能力是生物个体适应生态位的程度,甚至可以预言哪一种农作物具备从一场为时短暂的旱灾中幸存下来的能力。但是如果环境发生了灾难性的变化,科学家能够预言哪一种生物具备最快的适应能力吗?即使能够猜度未来灾变情况,又能预言即将产生的生态位的情况吗?现在的生态系统中没有食草蛇类的生态位,因为根本不存在食草的蛇类。假设有一场灾变引起了昆虫、啮齿动物以及小型鸟类的急剧减少,科学家并不能根据蛇的适应能力来预测它们是否能够靠取食植物而幸存下来,也无法预测这些蛇类能够经过几代的变化而有机会创造出一种生态位来保障它们免于灭绝。

  从这个角度来看,适者生存学说只是根据幸存者来定义适应能力,却没有独立的标准作为预言的基础,因此它可能没有什么意义。如果大多数生物物种的绝灭都是由灾变引起的,那么决定生物生死存亡的将是机遇而不是它自身所谓的优越性。由此推理,控制生物演化的全过程的也是机遇,而不是从所谓的劣等种族向所谓的优等种族的缓慢上升。

  许靖华教授正是因为深深地思考了上面讲过的所有的这些问题,才开始从进化论的角度来审视恐龙灭绝问题。他曾经用麻将、扑克和“斋司”三种游戏做例子来表达他对绝灭与幸存的感悟。

  麻将是中国人最喜欢玩的游戏,是一种适应能力的比赛。过于刚愎自用的人,不顾必然规律而蛮干,结果往往会痛失良机,输个一败涂地。而那些福至心灵的人却可以经常取胜。中国人常说,福无双至,祸不单行,命运可能会降临到每个人的头上。这与道教或佛教的哲学一致。因此,中国人重视每一种生命形式或生活方式的价值,他们也相信,每一个人都可能从不期而遇的机会中收益。

  扑克则是美国人爱玩的把戏,是一种实力的较量。有些人能够靠虚张声势来赢牌,但是必须有足够的筹码。比赛的结果往往是强者为胜,而这正符合美国人的生存哲学。

  “斋司”是瑞士的国粹。许靖华先生移居瑞士后也学会了这种游戏。就是这种一般人习以为常的游戏,却令许靖华悟出了许多深刻的道理,这是因为1968年8月23日他玩了一次“斋司”,而这次玩“斋司”让他终生难忘。那天,正是苏联派军队入侵捷克斯洛伐克之际。许靖华和一位同样是“斋司”老手的瑞士人为一方,许太太和一位同样是初出茅庐的新手为另一方。他们在旅馆里玩了一整天,窗外呼啸着枪声,使人无时不在感觉着苏军坦克向布拉格推进的骇人场面。碰巧,两位新手大获全胜。此情、此景、此境使许靖华感慨万分。“斋司”是一种赌运气的游戏,胜负根本无法按照参赛者的技巧预测。很多人说,成为瑞士人是幸运的,但是许靖华此刻却不以为然。他知道,一个瑞士人除非碰巧出身于有社会地位的家庭,否则几乎没有任何出人头地的机会。

  许靖华由此悟出了三条不同的成功之路。其一是成功属于自己,那些能够掌握命运并战胜对手的人才能成功;其二是成功就是运气,谁也无法控制;其三是成功属于那些能够忍辱负重的人,他们不管命运如何,总是能够因势利导地加以利用。这三条成功之路正好对应了扑克、“斋司”和麻将的取胜之道。

  正是这样的感悟使许靖华认为物竞天择并不是生物进化的真谛。于是他就有了一种推动力,试图探讨研究最详尽的陆地灾变事件和地质历史上生物大规模灭绝事件的证据。

  有了研究的目标和动力,接下来的问题就是,怎样进行科学的研究?

  许靖华教授选择了一种历史分析的方法,着重于追踪地质学家、古生物学家和地球物理学家的发现,来解答诸如此类的问题:究竟是对生存条件的争夺决定了恐龙的命运,还是来自于外部的事件造成的环境变化引起了恐龙的灭绝?如果是灾变割断了一些生物连续进化的链条,其它的生物却为什么能够幸存下去?是否可以说幸存者是适者,还是应该说幸运者仅仅是幸运儿而已?

地球环境的沧海桑田与科学理论的推陈出新
关于沧海桑田的解释——渐变论与灾变论

  “沧海桑田”在中国是一个妇孺皆知的成语,用来形容事过境迁以及环境所发生的巨大变化。对许靖华这样的现代地质学家而言,这个成语却是对其所从事的学科之精髓的绝妙描绘。时光荏苒,地球业已经历了45亿年的悠悠岁月。在这漫长的时间里,海底上升为陆地、陆地隆起成山峰、山脉被夷为平地、平地又沉入海底。这样的沧桑巨变不知经历了多少次。

乳齿象

  1948年,就在许靖华离开祖国到美国去攻读地质学之时,他发现拉马克的一段名言,使得他对中国的这一成语有了新的认识。这段名言是这样的:“在我们居住的这个星球上,一切事物都在发生着不断的和无法避免的变化。这些变化遵从自然界的基本法则,……这些变化都是在某一个时期完成的。而对自然界来说,时间不算什么,时间成了自然的一种法力无边的手段,既可以完成微不足道的琐事,也可以完成最伟大的功绩。”

  拉马克写下这段文字的时间是18世纪末叶。那时候,西方人的时间概念正相达尔文的物种起源理论一样经历着深刻的革命。人们从对地层和埋藏于其中的化石的研究中认识到了时间的深度和历史的悠久,从而使科学开始从圣经启示录的桎梏中摆脱出来。

  当时,基督教的教条对人的思想产生的巨大影响力是现代人难以想象的。那时的人们对宗教万分虔诚;当然,也有人是出于对宗教迫害的恐惧。正是由于这种影响和虔诚,当时绝大多数人对《创世纪》中所描述的地球历史深信不疑。历史上曾经有近百年之久的时间里,基督教统治下的西方世界认为地球历史是从公元前4004年10月26日上午九点开始的。一些自认为是亚当和夏娃的后代的教士苦心计算出,诞生了挪亚方舟的那场大洪水发生于公元前2349年11月18日。当时,拉马克爵士虽然已经在植物学的研究方面硕果累累并因此而闻名于世,而且,1793年的法国国民大会还任命他为动物学、昆虫学、蠕虫动物和微体动物学教授,但是,对于大多数坚信地球历史只有六千年的同代人来说,拉马克关于时间“是一种法力无边的手段”的说法简直不可思议。

亚洲象

  两年后,一位醉心于岩石鉴定而无暇诊病的苏格兰医生赫顿在经过对爱丁堡附近岩石露头的多年观察之后发表了语惊四座的宏论,为拉马克的思想提供了佐证。赫顿先生发现,古老岩石的侵蚀作用和新岩石的形成作用无休止的重复着,“既无始点,亦无终点”。“在向时间的深度凝视时”,大有头晕目眩之感。

  要领会地质时间确实不是那么容易。人们总是习惯于根据自己的经历来估计时间的长短,许靖华教授自己在孩提时代就对“从前”一词感到过一种朦胧的困惑。

  许靖华的故乡在扬州。300多年前,扬州人民曾经对入侵的清兵进行过殊死的抵抗,可是最终城池还是被攻陷了。破城的清兵进行了血腥的屠城,烧杀劫掠达10日之久,全城的居民几乎无一幸免。

  童年的许靖华上学的时候,在一次文艺活动中,学校的学生们表演了历史上的这幕悲剧,许靖华和比他大两岁的姐姐一起在台下观看。正当舞台上出现“从前”的清兵占领淮阴城的场景时,许家的车夫却忽然创进剧场来接他们姐弟俩回家。当时,许靖华父亲正在淮阴城谋生,因而许靖华感到特别害怕。一到家,他就赶紧跑到母亲身边,虽然不敢流露出对父亲可能被杀害的忧虑,可是非要央求母亲代他给父亲写了短短的一封信:“亲爱的爸爸:你好!阖家皆安。前几天连日阴雨,房顶漏水。你遇见清兵了吗?”

  父亲接到他的信后非常高兴,可是怎么也搞不懂儿子信里提到的清兵是什么意思。原来,是许靖华自己把“从前”发生的清兵入侵的历史事件稀里糊涂地与现在的时间弄混了。

  而对于大多数18世纪的科学家来说,他们对地质时间的无知并不亚于童年时期的许靖华对历史时间的困惑。当时的伦敦地质学会的创办人兼首任理事长格林纳在一次关于河流切割河谷的科学争论中曾经暴跳如雷地说:“没有一条河流能够再使其河道加深1尺,时间再长也不能使自然创造奇迹。”这为老先生之所以如此固执,是因为他自己在泰晤士河畔生活了50多年,从未见过河道因为侵蚀作用而加深的现象。然而,那个时候的他还不懂得,人类的生命在地质历史的长河中只不过是短暂的一瞬,漫长的地质时间是可以使自然创造奇迹的。

  但是拉马克却认识到了地质时间的重要性。虽然那时他已经快50岁了,对动物学并不精通,对岩石学了解更少,但是对于他这样一个长于自学、思维活跃的人来说,掌握一门新的学科或是熟悉地质学中的革命为时并不太晚。拉马克研究了巴黎大学收集的介壳标本,发现化石标本与现代的瓣鳃动物之间存在差别,而且,这些差别是有规律的,可以根据它们与现代属种的相似程度加以分类。根据这样的分类,拉马克排出了一个介壳动物的系列,并依据其相关性发现了它们之间的亲缘关系。在此基础上,拉马克提出了物种演化的理论,即一个物种最终变成完全不同的另一个物种是绝对可能的。当然,这种变化是非常缓慢的。这就是进化论的前驱。

  地质学家赫顿和生物学家拉马克就这样走到了一起,成为后来被称为“渐变论”的科学哲学学派的奠基人。这一学派认为,从引起沧海桑田的地壳运动到使古代介壳演变为现代贝类的生物演化以至于包括全球规模的一切变化,都是至今仍在不知不觉进行着的作用所不断累积的结果;这种渐变性是自然科学本质的核心。赫顿曾经说过:“如果今天自由下落的石块明天会向上飞行,那么自然哲学也就终结了,我们的原理将会崩溃,就再也不能根据观察来研究自然法则了。”

非洲象

  所谓“自然法则”或者现代常说的“自然规律”,引导着自然界从古到今的改变。但是,居维叶却从鉴定化石中悟出了不同的涵义。1795年,就在拉马克被聘为动物学教授后的不久,赫顿的著作问世的同年,居维叶当选了法兰西学院比较解剖学主任。一天,一位工人送来了一块乳齿象化石,这块化石是从环绕巴黎的塞纳河流域的一个采石坑里采到的。居维叶一下子就发现,这种古老的乳齿象与现代的亚洲象和非洲象截然不同。一起发现的还有许多其它的大型哺乳动物化石,如貘、犀牛和河马等等,这些动物在法国早已绝灭了,但是在非洲和亚洲的热带地区还有它们活着的近亲。几年后,在同一地区蒙马特附近的一个石膏矿中,又一批哺乳动物化石被发掘出来,但是这一次产化石的地层层位与前次不同。将这些化石骨骼组合在一起之后,居维叶发现它们与现代生物的特征都不尽相同。由于石膏沉积层早与现代砾石层,因此那些早已灭绝的哺乳动物必定生活在更早的年代里。后来,居维叶又在巴黎盆地周围更加古老的岩层中发现了奇形怪状的恐龙化石。根据这些发现,居维叶确定巴黎盆地至少有4个不同时代的动物群,即恐龙动物群、灭绝的哺乳动物群、乳齿象动物群和现代陆生动物群。

  居维叶是一个虔诚的基督教徒,对他来说要把这种古老生物的灭绝现象与教堂的教义结合起来真是比登天还难。他曾经研究过从埃及古墓中发现的植物标本和动物的木乃伊,而这些植物标本和木乃伊与现代生活的动植物没有什么差别。根据基督教的传统时间尺度,埃及是创世纪之后不久建立起来的一个国家。因此,居维叶认为,既然在《圣经》《出埃及记》以来的几千年中生物面貌并没有发生多大的变化,那么就没有理由设想上帝创造的原始生物发生过大的变化。由次推论,巴黎盆地采集到的这些化石只能是生活在"创世纪"之前的生物,而且肯定是以为遭受了某种灾变事件的破坏才发生了灭绝;而这种灾变事件不受上帝创造生命以来的那些自然规律的控制。居维叶想象,这些革命性的变革是天翻地覆的,“破坏了自然作用的连续性和过程。没有一种现代的自然力量能够大到足以完成这些旷世功业。”居维叶的这种自然哲学在科学史上就被称为灾变论。

地球环境的沧海桑田与科学理论的推陈出新
“火成论”侧击“灾变论”

  与生物学界的灾变论和渐变论具有异曲同工之妙的是,18-19世纪之交在地质学界也出现了一个关于岩石成因的争论,那就是“水成论”与“火成论”之争。

阿尔卑斯山

  早在17世纪的时候,一位自称是自然科学家的名叫伯内特的牧师就曾经认为,上帝震怒的时候曾经把地壳撕裂,使地球的“地心水”喷发出来形成大洪水,淹没了当时那些堕落了的人类。而在地球上许多地区可以发现的地层里的成层岩石以及埋藏在其中的介壳化石就都是从那次大洪水形成的杂乱沉积物中快速堆积下来的。对于18世纪的博物学家来说,像阿尔卑斯山那样的远离海洋的地区竟然会出现海洋动物的化石,这无疑应该被认为是大洪水学说的可靠佐证。18世纪初期,一位名叫伍德沃德的牛津大学自然史教授就认为,他在英格兰采集到的化石就是造就了挪亚方舟的那场大洪水的真正遗迹。1726年,伍德沃德的一位瑞士籍朋友和信徒萧赫寿甚至给伦敦皇家学会写了一封热情洋溢的信,宣称他发现了“导致这场洪灾的无名罪魁祸首之一”的遗骨并把他发现的化石定名为“洪水证人”。更有甚者,他还把这个“洪水证人”塑成一尊与自己一样高的塑像以示纪念。后来,居维叶鉴定出这个“洪水证人”不过是一只巨大的蜥蜴而已。

 

花岗岩

  不过,并不是所有的水成论者都是虔诚的基督教徒。与居维叶和拉马克同时代的德国矿物学家魏尔纳就以与圣经截然不同的说法栓释水成论,他的理论成为后期水成论者信奉的教条。魏尔纳认为,地球上的岩石都是过去在全球性的海洋里沉积下来的。最先形成的沉积物包括花岗岩和其它结晶岩,他将之命名为“原始系”;随后沉积的是硬砂岩、泥灰岩和板岩,他将之命名为“过渡系”;再上面沉积的是由灰岩、砂岩、页岩、白垩、石膏和煤层组成的水平地层;最后,砾石、砂石和粘土组成的“冲积系”覆盖在地层的最顶部。

  这样的岩石序列在魏尔纳居住的萨克森州弗莱堡地区是非常典型的,而他却又偏偏从未离家远行,因而魏尔纳就主观地认为,整个地球的陆地上覆盖的岩石都是这样的层序。他在长达30年的教学中不断地改善着自己的理论,并通过他那些有影响力的门生们将这种思想广泛传播出去。

玄武岩

  导致魏尔纳体系崩溃的是一种叫做玄武岩的黑色岩石。弗莱堡的许多小山上,玄武岩像汉堡包中的肉片一样夹在沉积岩之间,因此魏尔纳认为玄武岩无疑是一种水成岩。可是,法国奥弗涅附近的玄武岩却不同,其中到处可见大大小小的气泡。一位名叫德斯马雷特的业余博物学家注意到了这种现象,推测其原因一定是由于当初火山熔岩在没有固结时其中有气泡逸出,最终才形成了这样的特殊构造。同时,奥弗涅的玄武岩紧下面的地层有经历烘烤的迹象,这更坚定了德斯马雷特认为这些玄武岩来自于炽热的熔岩的信念。他沿着玄武岩流溯源追寻,终于发现了一个死活山。虽然这座死活山已经看不出喷发活动的迹象了,可是靠着建立在已知地质作用对比基础上的仔细观察和逻辑推理,德斯马雷特得出了玄武岩是一种火成岩的正确结论。德斯马雷特因此被奉为火成论的鼻祖。

  魏尔纳一直固执己见地拒不承认火成论,但是他的学生却并不都像他那样固执。抱着水成论的观点,魏尔纳的学生弗朗西斯在1803年应邀赴法国的奥弗涅进行实地考察,在事实面前他动摇了过去的信念,在一年后勇敢而又谦恭地在法兰西学院宣读了放弃过去的观点的声明。

  火成论虽然没有直接涉及渐变与灾变的问题,但是由于它推翻了地球上一切历史遗迹皆来自于大洪水的圣经学说,因此也确实从侧面给了灾变论重重的一击。