2021年09月15日 10:00
【科學快訊】
事實上，達爾文提出的基於自然選擇學說的進化論，並不總是像我們如今看到的這麼輝煌。它曾經經曆過一段黯淡的曆史，被一朵重重的來自以開爾文為首的物理學家的「烏雲」所籠罩。其中最關鍵的問題在於，地球的年齡是否足夠大，它的年齡下限能否滿足自然選擇的需求。慶幸的是，經過一段時間的試煉，自然選擇最終得到了它所需要的時間。
撰文 | Mano Singham
翻譯 | 鄭昱虹
審校 | 王怡博
「這是最好的時代，也是最壞的時代。」這是查爾斯·狄更斯1859年的小說《雙城記》的著名開場白，此處的「時代」原本指法國大革命時期。巧合的是，提出「自然選擇進化論」的查爾斯·達爾文（Charles Darwin）的經曆，也可以用這句話來描述。達爾文出生於最有利於他的理論發展的1809年，去世於他的理論面臨被抹殺風險的1882年。著名的物理學家開爾文（Lord Kelvin）是達爾文的「死敵」，而他用來對付達爾文的武器，是地球的年齡。
災變論？均變論？
早在達爾文之前就出現了各種各樣的進化論。無論哪種說法，有一點是肯定的：演化需要一段漫長的時間，雖然這些假說都很難明確地指出具體的時長，但通常認為需要幾千萬年或數億年長的時間跨度。可是自1650年起，基於主教烏雪（Bishop Ussher）、艾薩克·牛頓（Isaac Newton）和許多其他學者的研究而發展出的一種主流理論卻認為，地球的年齡約為6000歲。這些學者的研究考察了多種曆史文本記載。
隨後，地質學和生物學的理論就不得不去適應這一較小的時間範圍。由此發展出的地質學上的「災變論」認為，科羅拉多大峽谷、喜馬拉雅山脈等主要地貌的形成源於地球上突然發生的劇變。而當談到生物多樣性時，當時主導的觀點是「特創論」，認為生物是根據特定的生態位被專門設計出來的，因此一旦被創造出來就永恒不變。
面對如此短的時間間隔，任何學者都不可能令人信服地提出緩慢演化的理論，也就是認為新物種是緩慢而不是突然出現的。不過，在1785年前後，關於地球年齡的說法開始發生根本性的改變。這是因為地質學家和古生物學家開始利用地球本身的特征估計地球的年齡，如岩石的侵蝕、沉積、地層和地層中嵌入的化石。在此基礎上，主張地質特征是由微小變化緩慢積累而成的「均變論」逐漸獲得認同。1830年，查爾斯·萊伊爾（Charles Lyell）的三卷《地質學原理》（Principles of Geology）鞏固了地球已經存在了上億年甚至更久的觀點。至此，「均變論」取代之前的「災變論」，占據了主導地位。
達爾文：自然選擇學說
達爾文對地質學也很感興趣，而且他很熟悉萊伊爾的工作（他們後來成為了密友）。1831年至1836年期間，當達爾文乘坐貝格爾號（HMS Beagle）進行為期五年的環球航行時，他就隨身帶著萊伊爾的前兩卷書。在這趟旅途中，達爾文觀察所到之處的物種特征，自此他的理論開始萌芽。隨後的研究經驗告訴他，即使有意選育具有特定特征的鴿子，這個過程也需要很長的時間。那麼，可以想象他對於「物種演化需要多長時間」這一問題的回答——在萊伊爾和其他地質學家的研究基礎上，他大膽地推測，依靠自然選擇完成物種演化至少需要數億年。
達爾文剛好出生在一個「物種永恒不變」的觀念開始瓦解的時代。盡管達爾文接受的仍是當時占主導地位的特創論，但他成長的時代也使他有機會了解進化論的基本思想。1794年，達爾文的祖父伊拉斯謨·達爾文（Erasmus Darwin）就曾出版了一本《動物法則》（Zoonomia），並在書中探討了原始進化論的觀點。1802年，拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck）也發表了他的進化論模型。但這一時期，關於進化機制的各種模型，如拉馬克學說、定向進化、用進廢退，都意味著某種程度的目的論，即進化的過程具有內在的方向性。
幸運的是，新的地質學理論重新打開了極長的演化時間「窗口」，在此基礎上，達爾文和阿爾弗雷德·羅素·華萊士（Alfred Russell Wallace）發展出了有別於其他進化論模型的自然選擇學說。他們的學說揭示了，在馬爾薩斯主義（Malthusian）人口論的限制下，生物多樣性如何自然地產生，而不被任何神秘力量引向特定的方向。
他們的理論認為，演化是偶然性驅動的，物種如何演化取決於偶然因素和不斷變化的環境。也就是說，如果時間重來，自然界或許是截然不同的樣子，人類很可能都不會出現。他們的學說首次出現在1858年共同發表的一篇論文中。一年後，達爾文出版了他的著作《物種起源》（On the Origin of Species），這本書匯集了大量經過仔細推敲的論證，這有助於證實進化論的真實性。
在他們提出的學說中，人類的地位發生了根本性的改變。人類不再是由上帝專門創造出來的，而只是在物種演化過程中偶然形成的一個副產物而已。這立刻引起了極大的爭議，因為它質疑了「人類是特別的」這一關鍵的宗教信條。因此，在之前的進化論被接受的情況下，自然選擇學說依然引起了強烈的反對。當時的許多科學家都是宗教信徒，他們相信神導進化論（theistic evolution），認為有一種超自然的力量在引導這一過程。
來自開爾文的烏雲
盡管所有的進化論模型都需要很長的時間，但是相比於神導進化論，自然選擇所需要的時間都要長得多。因此，地球的年齡越小，對自然選擇學說就越不利。物理學家們是提倡地球很年輕的主力軍，其中以著名物理學家開爾文為首，他是神導進化論的擁護者。需要強調的是，這裏說的「年輕」指1億年左右或更短。那時，就連信仰宗教的科學家，也已經放棄了地球只有6000年曆史的說法。
自大約1860年起，開爾文和其他物理學家們開始利用1750年左右伊曼努爾·康德（Immanuel Kant）和皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）提出的星雲假說（nebular hypothesis）估算地球和太陽的年齡。在星雲假說的模型中，地球和太陽最初是一團旋轉的粒子雲。這些微粒在萬有引力的作用下結合，形成熔融球體，隨後地球逐漸凝固、冷卻。利用熱力學定律和其他物理學原理，開爾文估計地球年齡在2000萬年-4億年的時間範圍內。到了1879年，地球年齡的上限已降至1億年左右，而太陽的年齡上限甚至降至2000萬年，遠低於使自然選擇產生作用所需的2億年。由於物理學被認為是最嚴謹的科學，當時的形勢對自然選擇學說很不妙。
1882年達爾文去世，人們悼念這位偉大的科學家，因為他提出的基於自然選擇學說的進化論，從根本上改變了我們對生物多樣性的理解，並推翻了生物永恒不變的理論。但是隨著物理學家估算出的地球年齡越來越小，直到達爾文去世，自然選擇學說上還是籠罩著一朵重重的「烏雲」。他最後對解決這朵烏雲表達了悲慟的期許——希望未來的科學發展能利用嚴密的物理計算來證實自然選擇的時間需求。
「正如開爾文勳爵所強調的，地球的固化只涉及定量的有機變化，這個過程的時間間隔較短，因而不足以完成自然選擇。這可能是至今提出來的最嚴峻的反對意見，對此我只能說，首先，我們不知道物種演化的速率；其次，很多其他領域的科學家並不認為我們已經對地球內部結構了解得足夠多了，因此之前對地球年齡的推測可能不可靠。」
這樣看來，其實達爾文已經預料到隨著對地球內部結構認識的提高，有可能會使地球年齡的計算結果偏向自然選擇學說這一邊。但在當時，這個觀點對他來說似乎只是根救命稻草。事實上，在隨後很短的時間內，形勢變得更嚴峻了。開爾文等人所做的新一輪計算，使地球的年齡再度減小，到1895年，物理學界的共識是，地球的年齡範圍在2000萬-4000萬年。這樣看來，自然選擇學說似乎注定要「死亡」了。
烏雲開始消散
但是這一次，物理學家們遭遇了來自其他學科激烈的反對。地質學家們堅持認為，他們的模型是基於岩石在地球上逐年沉積和侵蝕而累積的證據，雖然不像物理模型那麼嚴密，但足以確定地球年齡的下限為1億年。古生物學家也提出，化石記錄與物理學家所提出的較短年齡並不一致。地質學界和古生物學界都認為，物理學家一定是在某個地方出錯了，雖然他們不知道具體的問題出在哪。此時，有關地球年齡的研究似乎陷入了僵局。
最終，在1895年，這一僵局就開始被打破了。開爾文的前助手，物理學家約翰·佩裏（John Perry）對開爾文關於地球是一個剛性同質體的假設提出了異議，他表示幾乎沒有證據支持這一假設。而且他發現通過引入地球內部的非同質性和流動性（對流），開爾文對地球年齡的估算值可能會發生高達100倍的變化，其上限將變為數十億年。其他物理學家也紛紛提出了類似的上調幅度，而且這促使了地質學家、古生物學家和生物學家們不再理會物理學家提出的「地球很年輕」的觀點。
終於，放射性（radioactivity）的發現徹底改變了這一局面。放射性帶來了一種全新的測量地球年齡的方法——科學家們可以直接計算岩石的年齡。所能找到的最古老的岩石就對應於地球年齡的下限，因此利用這種方法不斷找出越來越古老的岩石，地球年齡下限也隨之迅速刷新：在1905年，所能找到的最古老的岩石距今1.41億年；1911年為16.4億年；1935年為19億年；1947年為33.5億年；到1953年，最古老的岩石距今45億年，這也就是目前公認的地球年齡下限。到這裏，壓在自然選擇學說上的烏雲似乎已經消散了，而達爾文與開爾文之間的「鬥爭」似乎也要畫上一個句號了。
到1907年開爾文去世（享年83歲），人們也不清楚他是否真的接受，他對地球年齡的估算不再成立。但當時達爾文許下的願望，終於在他死後30年實現了——科學證實了，開爾文是錯誤的。令人感慨的是，曆經幾十年的審判後，達爾文的進化論最終得到了它需要的時間。
