化石的形成

自古以来，人类就知道化石的存在：亚里士多德（Aristotle）就曾对化石做过一番讨论；原角龙（Protoceratops）的化石则很可能导致了古希腊神话中的怪物狮鹫的诞生。但直到很久以后，人们才认识到化石的真正意义所在。即便在19世纪，它们仍只是被曲解为超自然神力的产物、葬身于大洪水中的生物，或是物种迁居到地图上都找不到的极远之地后所留下的遗骸。

然而实际上，这些石化中所蕴含的是生命的历史。我们如何才能解读这部历史？首先，你当然要有化石，很多很多的化石；然后，你必须把它们按恰当的顺序排列好，从最古老的到最年轻的；此外，你还必须找到其形成的确切时间。上述每一条要求都有其难度所在。

化石的形成是个很简单直接的过程，但却需要一套特殊的环境。首先，动植物的遗骸必须是在水中，沉到水底，还要被沉积物迅速覆盖，以避免腐化或被食腐动物吃掉。然而，植物或陆生动物死在湖泊或海洋底部的可能性极小；相反，海洋生物本身就生活在海底表面甚至海底之下，或死后会自然沉到海底。这就是为什么大部分化石都是海洋生物化石的原因。

被沉积物安全地掩埋之后，动植物遗骸的坚硬部分就会被可溶矿物质浸透并替换。剩下的工作就是让遗骸整体在岩石中印上一个投影，这一步借助的是上层继续堆积的沉积物所产生的压力。然而，动植物遗骸中的柔软部分很难形成化石，由此导致我们对古代生物的了解严重失衡。骨骼、牙齿、贝壳的化石比比皆是，昆虫和甲壳类动物的外骨架也很丰富。反之，蠕虫、水母、细菌以及像鸟类这种骨骼脆弱的动物，它们的化石极为罕见。这两类化石数量的悬殊程度堪比水生动物与陆生动物的化石数量差异。在生命出现后最初80%的时间里，所有的物种都只有柔软的躯体。于是，我们对于最为有趣的早期进化只有一个模糊的了解，而对于生命的起源则干脆一无所知。

化石形成以后，还要躲过地壳无穷无尽的平移、褶皱、高温以及碾压才能留存下来，这些地质活动彻底毁掉了绝大部分的化石。得以幸存的化石还要被我们发现才行。其实大多数化石都深埋在地表以下，难以获得。在适当的地质作用下，古老的沉积层也可能被抬升，并在风雨的侵蚀下显露出其中所蕴含的化石。只有在这时，古生物学家的小锤子才能派上用场。如果这些半裸露的化石没有及时被人们发现，它们又会被风雨进一步侵蚀，从而永远地消失在地球上。

考虑到上述种种因素，很显然，化石记录不可能是完整的。有多不完整？据估计，地球上曾经生活过的物种介于1 700万种（这很可能是一个相当保守的估计，因为仅现存的物种就多达1 000万种以上）至40亿种之间。而我们已经发现其化石的物种约为25万种，也就是说，大概只有0.1%~1%的物种得以出现在我们的化石记录中。就整个生命发展史来看，很难说这是一个好的样本量。很多曾经生活在这个地球上的生物永远不会为我们所知了。好在，我们已经有了足够的化石来了解进化的进程，并可以借助这些化石了解主要物种类别之间的分化事件。

具有讽刺意味的是，最初对化石记录进行分类整理的不是进化论者，而是持神创论观点的地质学家，虔信《圣经·创世记》对于生命的描述。这些早期地质学家的石头样本通常来自英国工业革命时期挖掘运河的过程。他们对不同地层的石头进行排序分类的原则基于一个基本常识：由于化石通常位于沉积岩层，而沉积岩源自江河湖海的淤泥堆积（在罕见的情况下，也可能源自沙丘或冰碛土）；于是，深处的地层必定比浅处地层形成得早，而年轻的岩石必定位于古老的岩石之上。然而，不是在任何一个地方都能找到所有的岩层——有的时期某地会由于缺乏水源而无法形成沉积。

所以，要建立完整的岩层次序，你不得不交叉比对世界各地的地层样本。如果一层同样的岩石含有同样的化石，却出现在不同的地点，那么就有理由相信这两处地层形成于同一个年代。举例来说，如果你在一个地方发现了四层岩石（从最浅到最深依次标记为A、B、D、E），而你又在另一个地方发现了其中两个相同的地层，中间插有另外一个地层（分别标记为B、C、D）；那么，你就可以推断出，完整的地质层次应该包含了五个地层，从年轻到古老依次为A、B、C、D、E。这种叠加原理最早由17世纪的丹麦博物学家尼古拉斯·斯坦诺（Nicolaus Steno）提出。后来，斯坦诺成为了一位大主教，还在去世后被教皇庇护十一世（Pope Pius Ⅺ）于1988年追封为“圣人”——无疑也是对科学的发展做出了重大贡献的唯一一位圣人。应用斯坦诺的原理，人们在18世纪和19世纪不停地丰富完善着地层次序的记录：从非常古老的寒武纪直到最接近现代的全新世。到这一步还算不错。但是我们仅仅知道了岩石的相对年代关系，可并不知道其诞生的实际年代。

大约从1945年起，我们有了检测某些岩石实际年代的方法——放射性同位素法。当来自地表之下的熔融岩浆冷却形成火成岩的时候，某些放射性元素（也就是放射性同位素）就混合在了岩石之中，并以恒定的速率衰变为其他种类的元素。通常，我们用以描述这种衰变速率快慢的指标是“半衰期”——同位素中的一半发生衰变所需的时间。如果我们知道一种同位素的半衰期、其在岩石形成之初的含量（地质学家们可以准确测定这个初始含量），还知道这种同位素现在的含量，那么估算岩石的年代就不是什么困难的事情了。不同的放射性同位素有不同的衰变速率。测定古老岩石的年代时一般利用的是铀-238（U²³⁸），存在于常见的锆石矿物中，半衰期约为7亿年。碳-14（C¹⁴）的半衰期是5 730年，用于测定年轻得多的岩石的年代，甚至可以用于测定像“死海古卷”这种人类制品的年代。几种放射性同位素往往同时存在，因此测得的年代可以进行交叉验证，而结果总是一致的。不过，含有化石的岩石一般是沉积岩而非火成岩，因而无法直接测定其年代。但我们可以通过检测相邻火成岩的年代，把位于中间的化石年代“夹”出来。

进化论的反对者总是在质疑地质年代的可信度。他们声称，放射性衰变的速率可能会随着时间发生改变，或者在岩石所承受的极端物理压力下发生改变。这些反对意见通常来自“年轻地球”神创论者，他们坚持认为地球只有6 000~10 000年的历史。但这些声音是站不住脚的。因为不同放射性同位素的衰变速率不同，如果它们各自的速率还有变化，就不可能总是给出一致的年代测定结果。此外，当科学家们在实验室内将同位素置于极端的高温高压条件下时，其半衰期也从未发生改变。特别是当放射性同位素法测定的年代能够直接与历史记录中的年代交叉比对时（通常是利用衰变较快的碳-14），我们会发现两者完全一致。对陨石的放射性测年结果告诉我们，地球与太阳系的年龄约为46亿年，而地球上最古老的岩石则要稍稍年轻一些——在加拿大北部采集到的岩石样本年龄为43亿年。这是因为，更古老的岩石已经在地壳运动中被破坏了。

不过，还是有其他方法可以检验放射性测年法的准确性，其中之一使用的恰恰是生物学方法。康奈尔大学的约翰·韦尔斯（John Wells）采用独创性的方法研究了珊瑚的化石记录。放射性测年法显示，这些珊瑚生活在泥盆纪时期，大约3.8亿年前。但韦尔斯还能用另一种方法来判断这些珊瑚的生存年代，就是仔细的观察。他利用了这样一个事实：潮汐的摩擦力使得地球的自转速度逐步放慢。每一天，也就是地球自转一周的时间，都会比前一天长了一点点。当然，其程度小到了不可察觉的地步——准确地说，每天的时间长度在10万年间会增长约2秒。另一方面，地球绕太阳公转一周的时间长短，也就是一年，不会改变。两种因素的共同结果就是，每年的天数一直都在逐步减少。如果放射性测年法给出的3.8亿年的结果是正确的，韦尔斯依据已知的地球自转减缓速率得出的计算结果是：在这些珊瑚生活的年代里，每年有396天，每天只有22小时。如果有某种方法能从化石本身获知当时每天的时长，那么我们就能检验这个时长与放射性测年法所得出的22小时这个数值是否匹配。

珊瑚恰恰可以做到这一点。珊瑚在生长的过程中无意间记录下了每一年的天数，因为活的珊瑚会同时生成年轮和日轮。在珊瑚的化石标本中，我们能够观察到两道年轮之间有多少个日轮，也就是该珊瑚生活的年代里每年有多少天。知道了潮汐导致的地球自转减速比率，就可以把“潮汐测年法”的结果与放射性测年法的结果进行比对。韦尔斯对泥盆纪珊瑚化石的日轮进行了仔细地计数，结果显示其生活的年代每年有400天，也就是每天有21.9个小时，与预计的22小时相差无几。这一巧妙的生物学校验方法让我们对放射性测年法的准确性有了更强的信心。