辦案辦進地球裡 – 探索地球的歷史

地球的歷史就像一件極難偵辦的案子,各位偵探準備好接受挑戰了嗎?

地球的歷史大約已經有46 億年那麼久了,在這段時間裡,地球曾經發生過許多驚天動地的大改變,也曾經出現過許多長相奇特的怪異生物。然而,這些讓大家匪夷所思的「故事」,究竟是被誰記錄下來,又是怎麼被記錄下來的呢?探索地球的第一回,就讓我們先來看看要去哪裡找到這些地球歷史事件的蛛絲馬跡吧!

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「李組長眉頭一皺,直覺案情並不單純。」這是某個電視節目中時常出現的經典台詞,明察秋毫的刑警通常會在凶殺案現場尋找凶手留下來的線索,而經驗老到的法醫則會從死者身上特徵來判斷死亡的時間和原因。然後故事就像尋寶遊戲一樣的展開,等到愈來愈多的證據被發現之後,正義使者就會還原案件的完整發生經過,把壞人繩之以法。

雖然現實社會中的刑事案件有沒有像電視演的那麼精采我不知道,但是我敢保證,探索地球歷史的過程不僅就像偵探辦案一樣曲折離奇,而且最特別的地方是,幾乎沒有人可以說出每個地球歷史重大事件的「完整發生經過」究竟是什麼。

辦案的第一步:上山下海,收集證據

探索地球歷史的過程,確實就像偵探在辦案一樣。首先,我們會在大自然裡尋找各式各樣的「證據」。

證據一:化石。這些過去生物所留下來的遺骸或痕跡,如果很幸運的被埋藏在地層裡面沒有被破壞,經過很長時間的反應,由大自然的礦物成分取代原本生物體的成分之後,就形成化石。我們可以藉由化石來了解地球過去的生物長相跟特徵,或者更進一步用今天地球上的生物特徵來做比較,然後推測這些地球過去的生物可能有什麼習性,以及當時的地球可能是炎熱還是寒冷、是乾燥或是潮濕。

比如說我們發現有的恐龍身上長羽毛,我們就會認為那表示這些恐龍可能已經會在空中飛翔。或是說我們如果在地層裡面發現珊瑚的化石,我們就會以現在的珊瑚都是生活在溫暖的淺海地區為依據,來推論那個有珊瑚化石的地層也是在溫暖的淺海環境下所形成的。

由於生物在形成化石的過程中,原本構成生物成分像是蛋白質或鈣質都已經被大自然的礦物給取代,所以生物化石沒辦法用警察辦案時所使用的「DNA 鑑定」來調查它們和我們的血緣關係,而興建侏儸紀公園的夢想當然也就破滅了。不過,近幾年來有愈來愈多出土的化石,它們被保存下來的條件實在是幸運到不行。例如西伯利亞的凍土層裡面被挖掘出整隻有毛有肉的長毛象,甚至還有科學家宣稱找到的恐龍化石裡保存了血球的細胞,這些都是相當罕見的「化石」。

證據二:地層。地球上有70%的面積覆蓋著海洋,還有陸地上的河川跟湖泊,這些有水的地方日復一日、年復一年地進行著沉積作用,把地球每個時期的紀錄整整齊齊的疊在一起。所以不只有許多生物化石被保存在地層裡面,還有火山爆發的時候留下來的岩漿和火山灰、板塊運動的碰撞擠壓導致地層形狀扭曲變形、氣候變化導致海水面升降使得地層裡的沉積物顆粒改變,都是地層裡一一記錄下的地球大事件。

地層紀錄有一項很好用的特色,就是它會照著時間的先後順序來排列。想像一下在大海底下,沉積物每天每天不停的堆疊,最老的紀錄就愈埋愈深,新的紀錄則不停往上堆。如果哪天板塊碰撞把這些紀錄擠上陸地,我們就可以根據每個地層裡各自不同的化石,來把世界上每個地區與年代的紀錄串連起來,把「案情」的細節一一拼湊出來,也就是我們常會聽到的地球歷史了。

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證據三:冰層。這幾年全球暖化的新聞實在太多,所以「冰層」的紀錄變得相當火紅。因為冰層裡面記錄了一項非常獨特的數據,那就是大氣的組成成分變化,當然也包括最被大家關心的二氧化碳含量紀錄。

下雪的時候,雪花和雪花之間會有空氣,等這些雪花落到地面結成冰,空氣就會被包在冰裡形成氣泡。如果有個地方一年到頭只會下雪不會融冰,那裡的冰層就會記錄下地球大氣組成成分持續的變化,像是南極和格陵蘭地區。

除此之外,「冰」本身也是很棒的氣候紀錄,因為組成冰的水分子裡有氫原子和氧原子,其中氧原子的同位素比例(氧16 比氧18)會和全球冰河體積的多寡有關,如果氧18 的比例比平時高,就表示當時全世界已經有很多冰河形成。所以從冰層的紀錄,就可以間接推算出過去地球的溫度。但是冰層的紀錄沒辦法像地層一樣被保存那麼久,除了氣候變暖會導致冰層融化之外,如果冰層愈堆愈厚,下方的冰受到太大的壓力時也會融化,所有的紀錄也就消失了。

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證據四:隕石。除了地球自己留下來的證據,我們也對天上掉下來的禮物——隕石相當重視。因為在地球形成的初期,劇烈撞擊曾經使得地球整個熔化成岩漿,很多密度大的元素就都沉到地球內部去了。幸好,太空中還有許多和地球幾乎同時期形成的小碎片,它們掉落地球形成隕石,科學家不僅可以用來推論地球內部可能的成分,還可以比較來自地底岩漿的成分,推論地球的演化。因此,許多太陽系的太空探測任務,其實都或多或少提供了地球形成初期的一些線索。

辦案的第二步:分析證據,發掘真相

有了證據,「案情」就會自動水落石出嗎?當然不會!我們還需要許多分析證據的工具和方法,才能夠得到更多有用的資訊。

科學家一直不停的鑽研新研究方法,就像刑警在精進科學辦案的技術一樣,這樣才能從有限的證據裡挖掘出更多蛛絲馬跡。像是上述的氧同位素分析方法,我們也用在生物化石上,因為有些生物的骨骼是以碳酸鈣(裡面也有氧原子)組成而被保留下來。此外,地層中的岩石也不只是看外型和特徵,我們還分析它的化學成分,用來推論地球組成物質的種類和演變。

除了證據跟判讀證據的方法,我們還需要知道事情發生的時間和先後順序!

在偵探小說裡,被害者死亡的真正時間常是破案的重要關鍵。探索地球的歷史也是,事件發生的先後順序甚至是確切時間,都是我們非常想知道的重要訊息。雖然先後順序可以利用前面提到的地層累積排出順序,建立「地質年代表」,但是這還不夠!想知道事情發生的確切時間,有什麼好方法呢?很久很久以前,人類是沒有文字的;更久更久以前, 地球甚至是沒有人類的!所以,要知道地球重要歷史事件的發生時間,單靠人類的記載恐怕是緣木求魚。不過在那個猩猩會變成人類的演化論被大家相信之前,神創造萬物還是大家比較接受的講法。所以17 世紀時愛爾蘭的大主教鄂雪爾(JamesUssher)就曾經根據《舊約聖經》和歷史考證,推算出地球形成於公元前4004 年10月23 日的黃昏。大家請不要笑,這可是當時最權威的推算結果,很多人都相信。

時間的推算一直到19 世紀才有了新的突破,當時凱文爵士(Lord Kelvin)根據地表附近溫度隨深度的變化,假設地球是從熔融狀態冷卻到現今的溫度,利用散熱速度推算出地球年齡大約是2000 萬~4 億年。這個數字會這麼小(相較於地球實際年齡將近46 億年),主要是因為當時的科學家並不知道地球內部有很多放射性同位素在加熱,所以地球實際冷卻的時間其實遠大於凱文爵士的估計。

到了19 世紀末,放射性同位素的性質才正式被大家所熟知。所謂的放射性同位素,就是指一些化學元素會在自然的狀況下衰變成另外一種元素。例如鈾238 會衰變為鉛206,大約每44.7 億年會有一半的鈾238發生衰變,這個有50%機率發生衰變的時間長度稱為「半衰期」。這個特性從20 世紀初開始用來測量岩石的年齡,從此成為判斷地球歷史時間的最重要工具。

也有過了「追訴期」的時候……

即使科技再怎麼進步,還是有警察破不了的懸案,當然也就有查不出原因的歷史事件。

這是因為技術雖然會進步,但是很多證據都在46 億年這麼漫長的時間中慢慢被抹去了。像是風化跟侵蝕作用,就會把保存有生物化石和地球歷史紀錄的岩層消磨成細小顆粒,讓所有的證據都消失不見。幸好地球夠大,總是有一些寶貴的證據被留存在地球的某個角落。例如五億多年前寒武紀最早開始出現大量多采多姿的生命型態(見下圖),全世界就僅有加拿大跟中國的兩個地層保存了它們的化石。而全世界最古老的岩石(超過40 億年),則幾乎都保存在澳洲和加拿大東北地區。(這跟大貓熊只活在中國四川,無尾熊和袋鼠只活在澳洲的感覺好像啊!)

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所以,研究地球歷史和研究人類歷史(或是當刑警辦案)都是很具有挑戰性的工作。我們有日新月異的科技做後盾,面對的卻是非常殘破不堪的證據。一旦有新技術或新證據發現,我們就可以解開一個個謎團,了解更多地球的歷史。我相信在我們有生之年,是絕對不會缺少有趣的新發現的!

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本文原刊載於遠流雜誌社所出版的科學少年第一期(2014.02)
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