尋找生命的密碼
綻放
在世界很多民族的神話傳說中，都能感受到遠古世界的圖景和大地的滄桑巨變。那不僅僅是神話傳說，其中滲透著的是某種信仰，體現的是一種觀念。像漢語中的「滄海桑田」「海枯石爛」這樣的成語，既有傳說的成分，也包含了無限久遠的時間意義，是很有些辯證意味的。如果它也歸於哲學範疇的話，一定是非常原生態。在這種原生態的哲學或科學中，不難發現生命的蛛絲馬跡。
一
記憶的痕迹
地球就像一本合著的書，生命的密碼就是那些隱藏其中的化石，通過解讀這些古老的生命符號，我們就有可能了解地球自身進化的歷史痕迹，就有可能構築生命的歷史。雖然這本「書」編排大致有序，但有很多的殘缺和模糊不清，需要我們靜下心來才能讀懂。
據說古埃及僧侶和婆羅門教徒都發現了埋在地下的化石，但他們沒有找到化石的實際用處，在枯燥深奧的教義中，化石僅僅是世界多次毀滅和創生的一個證據。
19 世紀初，一個叫史密斯（William Smith，1769—1839）的英國地質學家說，不但每個地層中含有特定的生物化石，某種化石在地層中的位置也是固定的。他說，以一種或幾種生物化石為標誌，就能對地層進行劃分，使其井然有序的結構得以確認。含有同樣化石的地層，儘管它們在不同的地方，也應當屬於同一年代。
「生物地層學」（Biostratigraphy）的概念從此就誕生了。
對生命化石的研究，可以幫助我們推測遠古時期的地質和地理環境，有助於了解生物本身的狀況。即使如此，也只能將地球的歷史局限在生命出現之後，而且還是一個大概的排序。
二
尋找切入點
色諾芬尼（Xenophánes，約公元前570—前480 或前 470，或公元前565—前473）認為，在內陸甚至高山上發現海貝殼，是海陸變遷的證據。亞里士多德（Aristotle，公元前384—前322）說，海陸分布不是永久不變的，陸地和海洋會相互轉換，並且這些變化是有規律的。史脫拉波（Strabo，公元前64 或前63—公元24）進一步提出，陸地會升起和沉陷，結果導致海水的漲落與泛濫。
古希臘自然哲學的發達由此可見。希臘人崇尚理性和智慧，熱愛真理，對知識的尋求有一種異乎尋常的熱忱。從他們的作品中，處處能發現深刻的思想、辯證的邏輯推理和對科學的至上追求。要知道，那是2000 多年前的情況，是相當遙遠的事情。那時候，中國哲學家的精力主要集中在人與社會相互關係的領域。
羅馬帝國崛起後，並沒有很好地繼承古希臘文明的成果。在此後1000 多年的時間裡，基督教在西方世界占統治地位，在這樣的背景下，《聖經》的宇宙觀成為神聖教條，這嚴重阻礙了科學前進的步伐。
弄清楚地球的年齡的確不是個簡單問題。在沒有找到準確的切入點之前，人們只能從古代的神話傳說中來猜測天地生成的時間。1654年，愛爾蘭一位大主教從希伯來的經典中，居然考證出地球是在公元前4004 年 10 月 26 日上午 9 時由上帝創造的。
這種荒誕的說法在當時的歐洲竟然還有人認同。據說這個並不曾見於希伯來文獻或其他舊典籍的數字，從1701 年起被印製在教會審定的《聖經· 創世紀》第一頁邊上，幾乎被看作與《聖經》正文一樣重要。
在歐洲，現代地質學誕生之初，遇到的主要阻力就是這個今天看上去滑稽可笑的數字。至於化石，教徒們說，它們是石頭受孕於天的產物，或由地層中的物質偶然凝結而成，或者乾脆就是「造物主的戲謔」。
到不得不承認化石是古代生物的殘骸時，他們又說，這是諾亞大洪水毀滅萬物的證據。但他們忘了其中所含的重要細節，即化石在地下是分層分布的，各層生物有明顯差異，這絕非一次洪水能夠做到。
三
追根溯源
為了弄清楚地球的真實年齡，科學家們一直在探索。17 世紀，丹麥地質學家斯泰諾（Nicolaus Steno，1638—1686）總結了15 世紀以來的地質構造思想，提出了一個重要觀點：地層最初沉積下來時都是水平的，如果沒有受到劇烈活動影響而改變位置，那麼應該是先沉積的、較古老的地層在下，後沉積的、較年輕的地層在上。
這看起來實在是簡單得不能再簡單。用漢朝大臣汲黯（字長孺，濮陽人，生年不詳，公元前112 年去世）抱怨漢武帝用人的話來說，無非就是「如積薪耳，後來者居上」。但是，在地質學上，這個「地層層序律」（the stratigraphic sequence law）具有重要意義，它揭示了地層具有時間先後序次，研究地層就可重建地球的歷史，也為時空觀念的統一提供更多的證據。在一個善於發現的眼睛裡，通過觀察地球現在的構造，隱約能看到遠年的廢墟。
1862 年，英國物理學家開爾文（Lord Kelvin，1824—1907）第一次從物理學的觀點探討了地球的年齡問題。他假定地球原來是熾熱的液體，以後逐漸冷卻凝固。根據熱傳導原理，他推導出地球由剛開始凝固到演化成現在這個樣子所經歷的時間約為2000 萬～ 4000萬年。
他的計算結果發表後，並未得到學術界的認可，尤其是地質學家們，他們說這樣的數據絕不能被視為地球的整個年齡。因為地殼運動並非只有一次，實際上，地球歷史上的造山運動已經發生了很多次。用最後一次變化的岩石來測定整個地球的年齡，是他們無法接受的。儘管如此，也比那位愛爾蘭大主教推測的地球年齡漫長多了，重要的是，他的推測依據已經不是想當然的傳說，而是一種科學的方法和合乎邏輯的思維過程。
四
放射性現象及其應用
我們知道，有一些同位素原子是不穩定的，它們的原子核會自發地失去某些粒子，變成另一種元素的穩定同位素，我們把這個過程叫作衰變。每种放射性同位素都有自己恆定的衰變速率，從開始衰變到其質量剩下一半所需要的時間，就是化學或原子核物理中所說的同位素的半衰期，而且，半衰期不受任何外界因素的影響。
大多數放射性同位素原子衰變得很快，半衰期只有幾年、幾個月、幾天甚至更短，顯然不能用這些同位素原子的衰變過程來測量古老岩石的年齡。但也有一些放射性同位素原子衰變得非常慢，可以用來測量古老岩石的年齡。
從這個角度看，它們好像是地質時鐘。
放射性現象的發現不僅拓寬了化學和物理學的視野，也為地質歷史的研究帶來了福音。1905 年，英國物理學家盧瑟福明確提出，放射性原理可以作為直接測定地質時間的工具。從原理到工具的演變似乎是在一夜之間完成的。
1907 年，美國耶魯大學的放射化學家波特伍德（B. B. Bottwood，1890—1927）發表了一篇論文，論文中，他根據云母礦樣品中鈾與鉛元素的含量比推測了這種岩石的年齡。雖然結果不夠精細，也足以顯示這一方法的可行性了，放射性測年從此成為地質學家手中最有力的工具。
19 世紀末，發現了天然放射性元素後，科學家就開始根據岩石中放射性元素的衰變速度，測定岩石的具體年齡。一種重要的方法是鈾鉛法，當時，人們已經知道，一克鈾235在一年的時間裡，就有1 / （7.4×109）克裂變為鉛和氦，只要我們按一定的要求進行岩石採樣，並用專門儀器測定岩石中放射性元素鈾235和鉛207的比值，就能計算出岩石的年齡。這種方法稱為同位素年齡定位。同位素年齡也是絕對年齡。此外，利用銣鍶法、鉀氬法、14C 法等，也可以測量岩石的年齡。比較起來，用鈾鉛法測定特別古老的岩石，效果會更理想。用這樣的方法對原始地殼中的古老岩石進行測算，得出的結論是：地球上的古老岩石年齡一般為36 億～ 40億年。
再後來，由於天文學的研究成果增多，人們知道地球與太陽系的年齡大致相當。因此，通過測定一些墜落在地球上的隕石，將地球的上限年齡確定為46 億年。46 億年前開始產生古地殼以來的這段漫長時期就是地球的地質時期，也稱古地理圈時期；46 億年以前的時期，稱為天文時期，又稱前地質時期。
只要某古老岩石含某种放射性同位素和它的衰變產物，測量一下它們的相對含量，就可以計算出岩石的年齡。這個方法說起來容易，數學公式也簡單，但這不是問題的全部。實驗操作和測量儀器的先進及可靠才是根本所在。
從分析化學的角度看，結果的精密和準確取決於多種因素，這些因素缺一不可。比如，有關同位素的衰變速度必須已經精確測定，如果半衰期有誤差，測年結果自然就含糊。測出的岩石樣品中的同位素含量必須足夠精確，通常情況下，樣品中放射性同位素及其衰變產物的含量都非常少，這就要求測量技術一定十分高超。
而且，一些外界因素可能導致同位素從岩石里流失，或使岩石遭受污染，如果不考慮到這一點，就會得出虛假的年齡。為此必須對樣品進行嚴格篩選，而絕不是隨便從哪裡撿來的石頭都能用於測年齡的。
弄清楚了這些技術細節，才有可能達到目的。由於各種原因，不同實驗室和不同測量技術得出的測年結果並不總是完全吻合的。由於岩石中某些同位素的逃逸或污染，使岩石看起來更年輕或更古老。因此，一般要進行多次測量或用不同的測年技術測量，方可得到比較可靠的結果。
地球的歷史已經非常漫長，生命的歷史也足以勾起我們無窮的遐想。研究古老的生命離不開化石，因為化石能告訴我們幾千萬年前甚至若干億年前古代生物的某些信息。
五
捕捉生命的記憶
說到生命，我們就想起了化石。通過動物或植物化石，古生物學家就能捕捉到來自遠古時代的生命影子。當化石稀少時，一塊骨頭、一顆牙齒、一個蠕蟲的空殼、甚至是一片樹葉的化石脈絡都有可能提供重要信息。當然，古生物學家最喜歡完整的動物或植物化石。
有更多的生命沒有留下化石，或它們的化石還沉睡在深山老溝未被挖掘的地層里。化石記錄只能提供有限的信息，通過這些有限的信息幫助我們重建生命的歷史。至少加上合理推測，可以窺視遠古生物的概貌。實際上，從現存生物也能得到很多信息，它們能告訴我們遠古生物的大概狀況，生命的整個歷史實際上就隱藏在當今那些活著的生物體中，只要我們弄清楚了這些，也就有可能重建生命的歷史。
我們把人類史前時代地質歷史時期形成的並存在於地層之中的生物遺體和活動遺迹稱為古生物化石，包括植物、無脊椎動物、脊椎動物等化石和遺迹化石，它們見證了地球的歷史，是研究生物起源和進化的科學依據。古生物化石和文物不同，它們是自然遺產，也是重要的地質遺迹。
本文摘編自楊天林教授著「科學的故事叢書」之《自然的故事》（楊天林著，潘雲唐審訂）第五章，內容有刪減。
自然的故事
「科學的故事叢書」
楊天林 著 潘雲唐 審訂
責任編輯：侯俊琳 田慧瑩 程鳳
北京：科學出版社 2018.04
ISBN 978-7-03-053744-7
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（本期編輯：安 靜）
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