《世界小传》：我们何以了解自己的远古先祖和先行者们？|世界小传|化石|岩层|岩石|沉积岩|沉积物

《世界小传I：从起源到公元前4000年》

作者：[美]伊恩·塔特索尔

译者：李果

版本：上海文艺出版社

2025年12月

在文字记载尚未开始被保存的时间里（从演化论角度讲，这几乎就是昨日），我们何以了解自己的远古先祖和先行者们？在演化故事的开端处，我们拥有的只是化石记录——即远古动植物的石化残留——以及那些已灭绝先行者生活其中的时间和环境等方面的地质证据。对于演化故事的后续阶段，我们则有考古学记录，即我们祖先活动的部分档案。

动物死后，其残骸往往会被大风、流水以及食腐动物所肢解，然后被吃掉或者直接烂掉；但有时候，累积的沉积物——比如河流或者湖泊淤泥等——可能覆盖其上并因此保护它们免于快速降解。软组织比如肌肉和器官历经长时间仍能得以保存的情况则很罕见，但身体中的坚硬部分（骨骼和牙齿）被埋之后，有时会以石化的方式保存下来。在这一过程中，溶于水中且被紧裹残骸的沉积物所过滤的矿物质替换了骨骼和牙齿的有机成分。骨骼以这种方式变成了字面意义上的石头，若无外部的破坏，它会一直存在下去。如此产生的化石常常准确记录了原有骨骼和牙齿的外形，以及它们的内在结构。

这种保存历史的结果便是，古老动植物的化石能在沉积岩中被找到。沉积岩由岩石经大风、流水等侵蚀所产生的颗粒物压缩和黏合在一起而形成。这些沉积物以连续层叠的方式累积。因而，在越靠下的堆积物中找到的化石会比其上岩层中发现的更为古老。作为一般规律，这些岩层形成一个垂直序列。但并不罕见的是，整个沉积岩因地球运动而被折叠，甚至可能折回到自身之上。所以，理想的“夹心蛋糕”（layer-cake）式地质情况比人们期待的更为罕见。而海洋中沉积的岩石序列往往在长时间内非常连续。但是，地壳上的这些沉积物通常不完整，因为湖泊会干涸，河流会改道，以及地壳本身也会上升或下沉，这些因素都会导致沉积物沉降区变成侵蚀区，反之亦然。所有这些和其他一些因素的共同作用，增加了地质学家和古生物学家们工作的复杂程度。

但沉积物不仅仅是一个化石库，因为它还包含着任何特定地区的局部气候和地形历史信息，以及当地生物不断变迁的全景图。比如，特定沉积岩的特征，可以告诉地质学家它们是被流水还是死水所沉淀，或者是在一个缺乏植被的地方被大风掩埋。在某个特定沉积环境中发现的化石特征能透露一定区域在特定时间内的相关生命样貌的大量信息。

化石的生命历史。动物死后，尸体大部分会被捕食者或者食腐动物吞食（左上）。残骸要么被风化，要么被累积的沉淀物掩埋（右上）。条件适当时，这些残骸会逐渐石化，因为它们的组成部分会被得自周围岩石中的矿物质取代（左下）。如果上层沉积物被侵蚀和磨损，化石就会重新暴露在地表（右下），在自然力量还未摧毁它之前，人们一定会在该地找到它。图画作者：戴安娜·萨勒斯，出自伊恩·塔特索尔：《人类奥德赛》（1993）。《世界小传I：从起源到公元前4000年》插图

如何得知地质记录所反映事件具体发生的时间？

我们如何得知地质记录所反映的事件具体发生的时间呢？地质学兴起之后的一个多世纪里，特定沉积岩层以及其中化石的年代都还无法得到确认。地质学家们所能做的事便是声称：在特定的沉积盆地，下方岩层比上方岩层更为古老。但这样的沉积序列可能是分离和不连续的；我们如何给它们建立关联？传统的解决方案是将岩层中的化石进行比对。

早期的地质学家很快意识到，地球历史的不同时期拥有不同的动植物化石。不同地方的岩石若包含相同类型的植物和动物化石，则它们很可能年代相仿；相反，包含完全不同动植物化石的岩石则很可能代表了不同的年代。尽管这一点当然是真的：在任何特定时间里，生物会因地而异（比如，今天我们在北极有北极熊，在非洲热带地区有长颈鹿），但通过观察动物化石的掩埋层和其他无化石岩层之间的关系，进而将两个不同地区的动物化石建立关联，地质学家们很快就能拼接出一幅地球漫长历史的辽阔图景。当然，这一拼接过程仍在继续；但在游戏的这个阶段，地质学家大多正按照一个已经建立的世界时间尺度整理局部细节。

《疯狂原始人2》（2020）剧照。

然而，尽管植物和动物化石之间的关联使得破译过往事件的序列成为可能——这些化石或岩石比一些古老，但比另一些年轻——但这仍不允许地质学家们为特定的岩石及其包含的化石确定年代。尽管，诸如计算冰川湖泊中沉积物详细年层的程序早就开始付诸使用了；然而，大范围地确定古老岩石和化石年代还必须等到二十世纪中期同位素定年法（radiometric dating）的发明以后。这种方法利用了特定同位素（粗略地讲，就是特定元素的不同形式）——包含在死去生物体内或处于它们同一序列的火山岩中——以已知的恒定速率衰变这一事实。这些同位素具有不稳定的原子核，会自发以恒定速率变化（衰变）成稳定（不变）形式。如果你知道某个同位素衰变率，就能用它来计算自生物体死亡或者火山岩冷却的时候起，所经过的时间长度。

测定化石年代的方法

确定化石年代最有名的方法是放射性碳测年法（radiocarbon method）。所有活的生物体中都含有一定量的碳，已知其中一部分带有放射性。只要生物体还活着，其体内稳定碳对放射性碳的比例就保持不变；一旦生物体死了，放射性碳的比例就不再更新，其数量相对于稳定的表亲来说也开始减少。因而，这两种碳在某个样本中的比例则可说明，自该生物体死亡时已过去了多长时间。

放射性碳的半衰期（原子核半数发生衰变所需要的时间）十分短，大致短于6000年；所以，4万至5万年过去之后，剩余的放射性碳会因为太少而难以被检测到。这种技术的使用，为化石年代的确定设置了一个非常低的最大时间值；但放射性碳测年法——这种首先被引入的定年法，仍被广泛用于测定相对晚近化石的年代，比如用于测定尼安德特人（Homo neanderthalensis）和早期智人的化石年代。事实上，自从引入一种不同的方法（加速器质谱分析法，或者称为AMS定年法）以后，放射性碳测年法在年代测定方面变得特别有用，因它允许只用微小的有机质样本测年。只要被分析的样本纯度高，放射性碳定年法就能得出非常精确的结果。尽管这样，这种检测仍需要被校准，以抵消诸如高空大气的不同放射性碳和地球磁场强度改变等因素的影响。

其他测定化石年代的方法还包括被称为电子自旋共振法（ESR）的方法，牙釉质是应用这种方法的最佳材料（骨骼则不是一种好材料）。釉质中晶体结构的中空“陷阱”（traps）会被自由电子以不同于化石所在地的背景辐射水平的速率所填满。如果填满的速率已知，则能以被填满的中空电子陷阱数量来计算时间——最多200万年——通常从生物体死亡时陷阱最后空置之时算起。这种方法也能用于测量流石沉积的年代，它们是石灰岩景观的洞穴中常被发现的方解石岩层。

另一种是陷阱填满式定年法，称为热释光法（TL），即测量样本被加热时所逃逸的电子释放出的光量。这种光量与陷阱排空数量存在一定的比例关系，而陷阱在这一过程中又会再次被背景辐射以固定速率填满。由于样本中的陷阱在加热时会排空，这种方法也能被用于测定诸如石英和燧石等材料，这些材料曾由于或这或那的原因被我们的祖先在篝火中炙烤。幸好，热释光法不仅能用于远古人类经常用火的整个时期，也能用于确定沙砾中石英的年代，这些石英内的陷阱因置于阳光下而排空。

《疯狂原始人2》（2020）剧照。

也许，使用得最广泛的放射性定年法（特别是，它可用于火山活动盛行的更古老时期）不仅可测定化石自身，而且也能测定包裹化石之岩石的年代。这种方法便是钾/氩（K/Ar）技术，它在20世纪60年代是揭示东非远古人类化石伟大年代的首要技术。火山岩中含有少量的钾，其中一部分带有放射性，并且以稀有气体氩气的稳定形式非常缓慢地衰减；放射性钾的半衰期是13亿年。火山岩浆在抵达地球表面时的高温状态下并不包含氩气，所以我们在这些岩石中测得的任何氩元素，必定来自火山岩层覆盖地面之后或者它们接近地表开始冷却并俘获氩气时的累积。因而，若能测量样本中氩和钾的丰度，我们就能计算自岩石冷却开始以来所经过的时间跨度。尽管化石一般不直接出现在火山岩石中，但它们可能通常存在于紧邻火山岩的沉积岩中。

所以，在一个连续的沉积岩石层序列中，我们能非常可靠地推断，发现于火山岩层上方和下方的化石会比年代确定的岩石年轻或古老一点。近些年，最初的钾/氩测年法已被一个名为氩/氩（Ar/Ar）的相关方法所取代，该技术使用从个别矿物晶体中提取的氩气，避免了与之前方法相关的许多技术困难。大多数人类演化故事都发生在名为上新世（Pliocene，520万至180万年之前）和更新世（Pleistocene，180万至1万年之前）的地质时期。更新世时期久为人知的特点是，北纬地区被连续的气候降温和冰川作用所影响，其中，极地冰盖的覆盖区域大大扩展。在欧洲，冰川的延伸使得数百英尺厚的冰雪覆盖了德国大部和英格兰北部地区；在北美，上一次这样的冰川时期的冰盖向南扩展至了现在的纽约市。

19世纪晚期，有人提出欧洲主要的冰川期可按顺序归为四个寒冷时期，它们被较暖的间冰期分隔开。这提供了一个便利的时间序列框架，化石可能被次第编入其中，但无数问题也随之出现。最糟糕的困难是推进的冰盖冲刷掉了沿途的景观；紧接着，当它们融化后，冰盖中所携带的残骸就又被融水冲刷到了别处。换句话说，冰盖往往会破坏它们所在时期的证据，并且为各处冰川的证据建立联系是非常困难的事情。

结合其他几种不同的定年法进行校准

幸运的是，自20世纪50年代起，一种能有效处理更新世冷暖交替顺序的方法诞生了。该方法利用了这一事实：与地表不同，海床则包含了一个在长时间内几乎未被破坏的沉积物堆积记录。而且这些沉积物还包含有孔虫（forams）遗骸，这种微生物的“外壳”（坚硬的外层覆盖物）提供了其生活时期的海洋温度记录。终其一生，有孔虫都会从周围海水中吸收两种不同的氧同位素。寒冷时期的海水富含重的氧同位素；反之，当海水转暖，较轻的氧同位素含量就会上升。所以，当科学家们从海底钻出垂直岩石核时，他们便是在复原一个气候变化的连续记录，通过对岩石核中有孔虫的外壳进行同位素分析便可得到这种记录。接下来，该记录的时间信息可以结合其他几种不同的定年法进行校准。其中之一便是古地磁学，该技术研究地球磁场的周期性改变这一事实。

今天，我们的指南针指向北方。但是，如果100万年前有指南针的话，那它就会是指向南方的；并且，包含海床岩核在内的岩石保存了它们沉积时的磁场方位记录。自更新世开始，仅出现了4次磁反转，但海床岩核的记录所显示气候波动则频繁得多。因此，若要对岩核的气候记录进行完全的校准，则需要其他的定年法。其中一种便是从沉积物的厚度上推测时间跨度；另一种则诉诸地球绕太阳的椭圆轨道的诸多因素，以及地球在轨道上旋转的轴斜度——这些因素会影响地球从太阳获得能量的总额和分布范围，进而对地球气候产生重要影响。

对氧同位素的分析。戴安娜·萨勒斯插图，出自：吉尔德·凡·安德尔，《旧星球，新看法》（New Views on an Old Planet，1994）。《世界小传I：从起源到公元前4000年》插图

所有这些的结果便是，我们现在知道，全球气候在过去几百万年中经历了一个逐步但不稳定的冷却过程；这一过程在更新世达到顶点，那时，世界比过去2亿年中的任何时期都要寒冷。更新世因其气候不稳定而特别引人注意。到大约180万年前更新世开始的时候，世界气候已变得比以前更冷并且更具季节性，极地逐渐冷却，高纬度地区的冬季变得漫长而严酷。到大约50万年前，世界气候已进入从较暖（比如现在）转变为更冷的周期变化模式，伴随而来的便是极地冰盖每10万年一次的最大幅度的扩张。尽管一般来说，更新世的气候明显比今天更冷，但每次这种大规模的循环总是体现在众多小幅度的气候振荡之中。

而现在，与笼统谈论大冰期相反，科学家们已为更新世晚期提出一种时间尺度。这种尺度涉及一系列的“同位素阶段”，其中一些都很短暂，而另一些则自身就被细分为若干子阶段。因而，13万年至11.5万年之间的较暖时期也被称为5e阶段，接下来便是更冷的5d到5a阶段（约在11.5万年至7.5万年以前）。随着世界的持续冷却，阶段4和阶段3于7.5万年至3万年以前出现了；3万年至1.2万年以前的平均温度最低时期（本次循环的“冰期”极大值）构成了阶段2。在诸如阶段5e时期的欧洲许多地方，当时的主要植被是橡树和山毛榉林，就跟现在差不多；相反，从阶段3到阶段4，相应的景观则比较开阔，成群的动物以草和低矮灌木为食。再往后，我们就回到了气候记录有些模糊的时期，但相同的趋势很明显。在大约18万年至13万年以前的阶段6，欧洲次大陆在这一时期的大部分时间都处于被冰川完全覆盖的状态；但此前的阶段7的气候就要好些，尽管低温状况仍占据了其中大部分时间。

冰川时代不规则的气候状况不仅影响了我们祖先生活的栖息地，而且还影响了他们周遭世界的地理条件。因为冰盖的扩张会“锁住”先前流向大海的水分，从而导致海平面降低，并且先前相通的陆地现已被冰体融水阻隔。而当冰盖收缩这种相反情况发生后，随之产生的海岸线就颇像我们现在（暂时）熟悉的样子了。当然，如此这般不稳定的地理、气候和生态环境最适合演化的创新和变化。