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这本关于地球近 50 亿年历史的书,记录了 200 个重要时刻

曾梦龙2017-07-05 18:41:35

“地球的历史是过去的历史,因此我们需要用留存下来的元素进行重构:化石、化学指标、构造。岩石给我们提供了线索,人们对它们的解读因知识的增长和工具的改良而随时间不断变化,这些线索的收集帮助人们在具体的场所重构过去的环境。”

作者简介:

帕特里克·德韦弗(Patrick De Wever):法国国家自然历史博物馆教授,曾任法国国家科学研究院(CNRS)研究员和法国地质学会主席,指导编写了许多面向研究人员、学生以及大众的丛书,主要研究兴趣是生物圈与岩石圈之间的关系,已撰写 12 本著作。此外,他还是法国国家地质遗产清单负责人、国际地质科学联合会地质遗产工作组组长,担任联合国教科文组织的地质公园专家。

弗朗索瓦·布翁克里斯蒂亚尼(Jean-François Buoncristiani ):勃艮第大学讲师、法国国家科学研究院(CNRS)生物地球科学研究室冰川环境沉积学与气候变化专家。他从事的研究工作使他能够到世界各地考察。参与过多部纪录片的拍摄,也长期应媒体之邀分享个人经验、撰写报道,主持一档广播节目,热爱摄影与科普。

书籍摘录:

引言

不论从时间、空间、相互作用等任何不同层面来看,自然都是包容一切的整体。地球的发展历程并不像一条平静的长河,规律地点缀着各种现象。相反,正如英国地理学家德里克·艾吉尔所说:“地球历史像一名战士的一生:很长时间百无聊赖,突然一下又恐怖至极。”(1980 年)在地质学记载中,自然力量的持续作用留下的可辨识痕迹,并不比人类在考古上的挖掘更多或更少。许多痕迹(遗迹或骨架)只有在猛烈而突发的事件之后才能形成化石。倘若没有断裂、没有灾难,那就没有年代学,也没有对过去历史的解读。正是因为有维苏威火山的爆发和庞贝—赫库兰尼姆古城的悲剧,我们今天才能如此熟知罗马人的生活。自然从不缺少蛮暴的动荡,这对科学而言是一件幸事。

地球的历史是过去的历史,因此我们需要用留存下来的元素进行重构:化石、化学指标、构造。岩石给我们提供了线索,人们对它们的解读因知识的增长和工具的改良而随时间不断变化,这些线索的收集帮助人们在具体的场所重构过去的环境。这些场所的空间性连接勾画出一幅更为广阔的景象:一个区域,或是一块大陆。而它们基于年代的层序则编织成一段历史:景观演变、气候变换、水陆环境的交替、生命的进化。

为了在这无人生存的几亿年时间轴上找准坐标,地质学家们使用了一些含有标志性化石的地层做参照。以这些地层为基准,建立起一种地质年代的承接和划分,国际社会将其采纳,作为交流的共同语言。

地质学家首先感兴趣的是岩层的堆积、岩层之间的关系(如交错等)和岩层的成分。因此他们建立了一种相对年代划分:之前/之后。他们能确定一系列现象的衔接顺序,但并不知道每个现象的具体持续时间。要理解其中的关键进程总是十分困难,甚至是绝无可能的。直到 20 世纪,放射性被发现后,人们才找到了得出具体年限的方法。自此之后,现象的更替不再深不可测。历史的研究加入了物理的步骤,那么计算就变得可行。

对魏格纳的大陆漂移学说的理解,进而对板块构造的理解,才真正使人们明白地球是如何运行的:大陆的运动与气候变化有关,与生物世界的演化有关,与海平面的高度有关。地球的历史也是生命的历史。达尔文《物种起源》一书的发表开启了一个新的范式,这一范式又被遗传学和分子生物学的发展所补全和细化。所有这些因素都让人类重新找到自己的位置:从此人类不再是自然的最高成就,而仅是组成生命合奏的一个乐章。假如地球的历史是一天 24 小时,人类的历史不过只占最后几分钟。

由于自然是一个相互作用的体系,因此地球的大事记就如同手风琴的风箱,松紧不一,有张有弛。一次大规模的火山喷发现象对气候、地貌、海平面、生物多样性等都会有影响,因此本书中记载的日期并不像乐谱的节拍停顿那样有规则。正如在历史学上,越接近当下的时期总是包含越丰富的信息,地球的历史也是如此,更别说地球的近当代史中还加入了人类发现史。

探究地球历史的方法步骤如同断案调查一样。警探通过考察所有因素而找出线索、追寻踪迹、重建合乎逻辑的现场,有时候,一条新线索的加入会使他重新从头审视他的假设,科学也是如此。

出版这本书就等于选择了光阴之箭,因此我们将进入历史的时空。由于在历史学上,某些日期是约定俗成的,我们因此面临多种可能性。的确,当我们提到某一现象时,纳入好几种时代都是可行的。以人类使用火山岩为例,我们有好几种方式来呈现:要么与岩层被火山作用侵入的时代联系起来,要么与火山喷发的时代联系起来,抑或是归入使用岩石作为建筑石料的时代。根据不同情况,我们做了这样或那样的选择。此外,记载的日期是当前科学所认可的,而科学并不是凝滞不变的知识。

法语版封面

澄江生物群(5.2 亿年前)

中国云南的一个化石群为寒武纪早期的一个多物种海洋生物群落提供了特别的资料。最原始的生命长期以来都是仅由柔软的部分组成的,正因如此,它们也是最不为人所知的。当我们发现被保存下来的生物,保存下它们的场地(化石群)具有非常重要的价值。

澄江化石群就是这样一个重要的地方,位于中国西南部的云南省, 1984 年在一些已有 5.2 亿年历史的寒武纪早期页岩中发现了大量化石,因而声名远扬。岩层是由一片浅层温热海水下的淤泥形成的,整个复杂的海洋生态系统都被保存下来。多种多样的生物,不论无脊椎的还是有脊椎的,都被发掘出来:至少 16 个门类,再加上一个至今还是个谜的群类,共有 196 种生物,是生活在那个的群落的一个最为复杂的资料库。

对这些生物的软组织或硬组织进行解剖为古生物学家提供了详实的细节:某些动物的消化系统甚至是神经系统的各个成分都惊人地保存完好。这个生物群被称为“澄江生物群”,它包括极其丰富的门类:藻类、海绵、腔肠动物和大量的“两侧对称生物”,还包括最古老的脊索动物化石(所有脊椎动物都出自脊索动物门)以及至少四种脊椎动物,如海口鱼(haikouichthys),第一种真正意义上的脊椎动物,与今天的七鳃鳗十分接近。

我们在澄江生物群找到了奇怪而又惊人的形态,其中几种也同样出现在不列颠哥伦比亚省伯吉斯最有名的页岩中,或澳大利亚南部鸸鹋湾(EmuBay)。比如奇虾(Anomalocaris),这种动物可以长达一米,应该是这个生态系统中的捕食者或是吃腐食的动物;再比如神秘的欧巴宾海蝎(Opabinia),它柔韧的长嘴是寒武纪生物群中独有的。

澄江化石群,见证了群落结构很早就得到了发展,并且为一个大规模的生态环境提供了佐证。 2012 年,澄江化石群被列入世界遗产名录。

恐龙飞起来(1.55 亿年前)

自 1860 年在德国发现始祖鸟以来,鸟与恐龙之间的关系,以及鸟类的起源都引发了人们的争议。

20 世纪 90 年代,众多中华龙鸟的发现印证了一个假设:现在的鸟是由兽脚类恐龙进化而来。

在所有的特征中,飞翔的能力帮助恐龙占领新的生态位,成为更灵活的猎手,同时也能更巧妙地躲避捕食者。

但这些恐龙是怎样飞起来的?这里有两种不同的理论。第一种认为,飞行的起源是树生恐龙凭其利爪攀上树干,在树枝间跳跃,在下落的过程中形成了双翼。第二种认为,奔跑型动物先获得飞翔的能力:摆动覆盖着羽毛的原始“臂膀”,他们加快速度,直到可以起飞。第二种“从陆地出发”的理论似乎更加可信。

著名的始祖鸟生活在 1.5 亿年前,它的肩膀和翅膀的解剖样本表明,它能边振翅边以每小时 20 千米的速度奔跑,这样的速度足够让一个这样重量的陆生动物从地面飞起来。

那么它们的羽毛又是从哪儿来的?人们最开始推测是爬行动物的鳞片逐渐延长,再侧向分支,长成羽支和羽小支。今天,人们不再接受这个假设,因为羽毛是空心的,而鳞片不是。人们现在承认羽毛是经过多重特殊变化得来的。

在真正拥有羽毛(与现代鸟类相近)的各类恐龙中,有一些不会飞翔,还有一些属于兽族亚目,这一类有时与鸟类相隔很远。除了提供动力功能,恐龙进化中还可根据目的选择羽毛:隔热性,这一点在羽毛被吹散时得以加强(储存的空气增强隔热性);颜色与运动,这些都是实现交流的视觉信号(例如对配偶的炫耀行为);保护卵。

动物粪便组成的悬崖(8500 万年前)

埃特雷塔美丽的白色崖壁实际上是由无数动物粪团堆积而成。受西方文化影响,我们认为白色象征着纯洁和贞洁,所以传统的婚纱也是白色。相反,黑色则代表着地狱、魔鬼、废物。也可能是因为这个原因,白色让我们联想到用功学习的童年时光,天真岁月里写在黑白上的粉笔字,就连粉笔也传递着积极向上的信号。然而,被用作粉笔的材料其实是一种叫白垩的岩石,粉笔也是由此而得名(在法语中粉笔与白垩使用同一个单词)。白垩是由微小的贝类化石缓慢沉积而成,大部分由微小藻类的骨骼部分变化而成。

在海浪激荡的水域下面,潜水艇的探照灯发出光束,水里看起来像是下雪一样。这些下落的絮团是水面浮游生物的遗骸,它们将落到海底并在那里沉积。在时间的作用下,淤泥结成岩石。白垩就是这样形成的。

岩石中会发现生活在海洋表面的微小藻类。它们为桡足亚纲(海洋里数目最多的生物)等微生物提供了食物。据估计,在表面 200 米深的水域中,那里的生物消耗了超过 90% 的藻类。藻类的有机部分被消化掉,矿物质部分随着粪便排泄出来,呈球状或椭圆状。一个粪团可包括 40000 种物质,每立方毫米的个体数量达到数百万。位于埃特雷塔的白垩悬崖,我们看到的白色山崖,事实上是一团巨大的动物粪便。

钻石坑(3570 万年前)

一个直径为 5 到 8 千米的陨石坠落在西伯利亚,强烈的碰撞将有机物变成了钻石矿。

钻石由碳元素构成,和石墨一样,而石墨却仅仅是铅笔的原料,只是因为碳原子的排列不同就导致了这两种物质的巨大差异。钻石比石墨的结构要紧密得多,因此也更加坚硬。钻石的结构是在压力极大的条件下形成的。这也是为什么我们在很深层的岩石中才能发现钻石矿,比如南非的金伯利。钻石也可以在强烈碰撞的条件下形成,比如陨击事件。

自地球形成以来,陨石坠落就十分常见。但大部分都在穿过大气层的过程中烧成了灰,只是偶尔有陨石能落到地面并留下痕迹。最近一次的大碰撞于 2013 年 2 月 15 日发生在俄罗斯的车里雅宾斯克,在乌拉尔的上空被观测到。陨石穿入大气层时,速度为 20 千米/ 秒,直径约 17 米,重 10000 吨。估测其释放出的总能量为 500 千吨级,相当于广岛原子弹的 30 多倍。这是自 1908 年 6 月 30 日发生的通古斯大爆炸以来,地球受到的最大天体的撞击。

3570 万年前,一个直径在 5 - 8 千米的陨石在西伯利亚坠落,着陆点在诺里尔斯克城的东边,勒拿河和叶尼塞河中间的位置。撞击形成了珀匹盖陨石坑,其直径约十万米,是地球上第四大陨石坑。这场撞击在这个天然的巨坑中心产生了大量钻石矿,可能多达 1 万亿克拉。如果这个数据是准确的,那么坑中的钻石是全世界现有钻石储量的十多倍!

这些钻石是由于陨石碰撞地球时土层中的碳被压缩而形成的,分布在陨石的着陆点方圆 10 千米的范围内。俄罗斯人早已知道这个钻石坑,里面的钻石有蓝、黄、灰不同的颜色,然而并不能给珠宝市场带来冲击,因为它们的直径仅为 0.5 至 2 毫米。但这些钻石的工业用途十分完美,因为它们比合成钻石的硬度强两倍。

题图来自:维基百科,文内图由出版社提供

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