第2章 人与自然的奥秘(1)
科学无禁区，探索无止境。日月经天，江河行地，花开花落四季轮回，大自然隐藏着无穷的奥秘，等待我们去揭示。当一个个奥秘被我们解开，并被普及到大众中，它就成为常识；同时，新的奥秘又摆在我们面前。
大自然是我们的老师，让我们关注每一棵树、每一根草、每一株花、每一滴水……
古生物及古人类
◎李四光
一、原始生命形态的遗迹
（一）
地球上出现有生命的物质，是地球发展史上破天荒的大事。最原始的生物是在寒武纪以前的时代开始出现的。那些原始生命形态的遗迹（化石）被保存在寒武纪以前的古老地质时代所形成的地层里面。
寒武纪以前所形成的地层，概括地说，可以分为两大部分。一部分为古老的变质岩系，包括变质沉积岩以至变质极深的各种结晶片岩及各种混合杂岩等。这些古老变质岩的形成是从距今约20亿～30亿年或更早的年代以前开始的。覆盖在那些古老变质岩系上面的，是时代较晚的轻微变质或基本上没有变质的沉积岩系。这一套岩系在我国发育完整，分布广泛，故名为“震旦系”，其所代表的时代则称为“震旦纪”。震旦纪大约开始于距今10亿（？）年前，其延续时间约达4亿年之久。在震旦纪地层上面的，就是寒武纪的地层了。
寒武纪的地层是最早的含有丰富生物化石的地层。它含有大量的动物化石，如三叶虫、腕足类及古杯海绵等。有一些古生物工作者认为，这些大量的和较高级动物不可能是骤然发生的，一定在它们之前，还会有和它们相类似但较为低级的动物，代表在它们之前的发展阶段。这些更早的动物一定是生活在寒武纪以前的时代。为了证实这个想法，人们曾做出不断的努力，要从寒武纪以前的地层中找到化石。
如前所述，寒武纪以前的那些古老变质岩系，经过多次强烈地壳运动，以致支离破碎、结晶变质，即使当初含有生物遗体或遗迹，也必然被摧毁，极难从其中找到可以鉴定的化石。但以后在那些古老变质岩系的上面，发现了震旦纪的地层（在外国也找到与我国震旦纪地层相当的岩系），它是基本上没有变质的沉积岩系，厚度有时达到数千至10000多米。震旦纪岩系的发现，燃起了人们寻找寒武纪以前的化石的希望。
有人曾根据生物的发展观点，将已知的寒武纪的动物加以分析概括，从而推论出寒武纪以前的动物群应该是由无壳的原生动物、硅质海绵、原始腔肠类、环节蠕虫、无铰的腕足类以及某种类似三叶虫但更原始的节肢动物所组成。但多少年来，在世界各国的寒武纪以前的地层（包括震旦纪地层）中所搜寻到的，只是残缺而贫乏的原始生命形态的遗迹，远不足以证实这个推论。
（二）
在震旦纪的石灰岩及白云岩中比较常见的，是具有同心圆构造的化石。大多数古生物工作者认为它是蓝绿色藻类的群体的钙质分泌物，故又把这种藻类叫做钙藻。
1922年我国地质工作者在北京西北的南地区考察地质，通过仔细观察，明确了钙藻中的“中国聚环藻”在震旦系南口灰岩中的层位，并发现了另外两个新种，以后被分别定名为“筒状聚环藻”及“棱角聚环藻”。1924年我国地质工作者又在长江三峡地区发现了相同的钙藻化石。以后在我国华北及西部不少地区的震旦纪石灰岩中，都陆续找到这类化石。
华尔科于1906年在美国蒙大拿州的柏尔特系（相当于我国的震旦系）地层中采集并描述了钙藻的许多新种。据雷蒙的意见，其中有些是可疑的，可能是无机质的结核。
最古老的原始植物化石为一种细菌，是在美国密执安州休伦系（大致相当于我国的滹沱系）的铁矿层中发现的，呈杆状，在高倍显微镜下才能看见，很像现代的“衣细菌”。据说是铁细菌的一种，能将水溶液中的铁质分泌出来，使其沉积成铁矿层。
1915年华尔科用高倍显微镜观察从美国蒙大拿州基维诺组（相当于我国震旦系）石灰岩中发现的“微球菌”，其直径仅为0.001毫米。
对于上述这些细菌，既缺乏坚硬组织又如此细微，竟然能从寒武纪以前到现在仍保存到可以鉴定的程度，有人（如美国的雷蒙）持怀疑态度。但也有一些人认为寒武纪以前的古老岩系中含有的大量石灰岩、石墨及一些铁矿，是属于有机成因的岩、矿，是通过当时水体中大量细菌及藻类这些原始生物分泌作用而沉积起来的。例如前苏联的维尔纳茨基石尔格和斯特拉霍夫都认为庞大的“前寒武纪”含铁石英岩矿层是由铁细菌形成的。
从蒙大拿的“前寒武纪”石灰岩中，华尔科又曾找到一些没有定形轮廓的化石碎片，认为与“翼鲎”或“板足鲎”相接近的一种节肢动物的甲壳。爱基渥次、大卫等从澳大利亚“前寒武纪”地层中所获得的所谓“节肢动物”，据雷蒙说，可能是同样性质的东西。
在前苏联，在乌拉尔西坡的里菲界（相当于我国的震旦系）及西伯利亚的震旦系中，也找到钙藻并分为许多属、种，而总称之为“叠层石”。据说在南乌拉尔里菲界的迭层石中曾找到可疑的微体生物化石。
以上是讲的植物化石，下面我们转到动物方面。
在北美洲，主要是在加拿大南部及美国西部，更先后找到零星的动物化石，其中有些也是可疑的、有争议的东西。在北美，对“前寒武纪”化石研究最早，致力最多，费时最久的，还是前面已经讲到的那位美国“权威”华尔科。而对他的工作成果持怀疑甚至否定态度的，则是他的后辈另一位美国人雷蒙。有关动物化石的发现简述于下。
海绵化石——1911年，华尔科曾描述，在加拿大南部安大略的阿瑟港附近，在“前寒武纪”、“陡岩系”的石灰岩中所获得化石标本，将其与寒武纪的一种海绵相比较。以后被证明是无机物所形成，不是生物化石。但华尔科曾报道在美国西南部大峡谷地区的相当于我国震旦纪上部地层中，发现了据说是真正的海绵骨针。
腔肠动物（水母及其他）化石——据说在美国大峡谷“前寒武纪”地层中曾找到过水母化石。从芬兰东部前寒武纪石灰岩夹层中，曾找到一种近于床板珊瑚的可疑化石。
环节动物（蠕虫）化石——华尔科曾描述从美国蒙大拿的“前寒武纪”岩层中找到的蠕虫爬行印迹及所掘的空洞。在我国南沱灯影灰岩中也曾发现过蠕虫穿过藻类所留下来的空洞。
在澳洲南部震旦纪地层中找到的竹石，据说还有翼足类及原始的腕足类。
此外，在欧洲，许多年前，凯耶曾描述从布利塔尼（法国西北部）的变质岩中获得的许多放射虫、有孔虫及海绵，曾一度被广泛接受为“前寒武纪”化石，但也引起怀疑和争论。以后一个法国地质家指出含这些化石的地层并非“前寒武纪”而可能是泥盆纪。因此，在欧洲曾轰动一时的“前寒武纪”动物群是不足可信的。
（三）
概括上述，从20世纪初期到现在，超过了半个世纪，人们已找到的寒武纪以前的生物化石，在植物方面仅为蓝藻、细菌及某些不能作确切鉴定的孢子；动物化石方面则为海绵骨针。腔肠动物（水母及另一种可疑化石）、环节动物活动时留下的残迹及翼足类与腕足类。门类虽然也不算少，但重要的问题是在于这些零星残缺的生物遗迹，除钙藻外，都是极其少见的，而且它们绝大部分的真实性是有怀疑和争论的。这就使人们突出地感觉到，生物在寒武纪以前的数十亿年漫长的演化过程中，给我们留下的化石竟是如此的贫乏，这与寒武纪一开始就出现的颇为繁盛的和相当高级的生物群，远远衔接不起来。对这一现象如何解释呢？
在18世纪末叶，法国科学工作者居维叶（1769—1832）提出了“灾变论”。他和他的学生迪奥宾尼认为在地质发展史中，地壳运动形成海陆升降的突然变革，或使海涸为陆并隆起大山脉，或使陆沉为海，每次都给生物带来一次灾乱，而这种灾乱使地球上一切生物灭绝，以后又由一种所谓新的不寻常的“全能的创造力”，将生物又恢复起来。他们并认定物种是永恒不变的，新的和旧的，高级的和低级的物种之间没有演化的关系。旧的物种在一次灾变中完全被灭绝了，以后由“全能的创造力”又创造出一些新的更高级的物种。按照灾变论的说法，则寒武纪以前的生物就可以认为是在一次地壳运动所引起的灾变中被毁灭得毫无踪影，寒武纪的动物则是以后由什么“全能的创造力”一下子创造出来的了。这是地地道道的形而上学的观点。随着生物科学的发展，特别是在达尔文的《物种起源》一书问世后，这一类带有浓厚宗教迷信的说法就越来越站不住脚了。
由于在我国以及其他国家先后发现基本上没有变质、适于保存化石的那一套寒武纪以前的地层（即震旦系），人们也不能再说寒武纪以前化石的贫乏是因为那个时代的地层屡经剧烈破坏，不能保存化石了，于是转到生物本身上来寻找原因，因而把注意力集中到另一方面的解释，即寒武纪以前的动物缺乏坚硬的钙质外壳或骨骼，即缺乏被保存为化石的条件，认为这是寒武纪以前化石特别稀少的主要原因。
那么，为什么那时的动物没有钙质骨骼呢？对此，资产阶级的学者根据某些片面的认识，曾试图作出各种解答，主要的可分为以下四种：
（1）因为寒武纪以前的海水中缺乏钙质；
（2）寒武纪以前的海水中含有较多的氯及其他游离的化学元素，使海水变为酸性的，阻止了生物钙质骨骼的形成；
（3）现在能见到的寒武纪以前的地层都是大陆上的淡水停积物，而淡水含钙量很低；
（4）寒武纪以前的动物都是漂浮在海水表层的浮游动物，钙质介壳或骨骼太重，对浮游生活不利，因而没有形成钙质骨骼，只有到了较晚的寒武纪或更晚的奥陶纪，在海底生活的底栖动物才形成笨重的钙质介壳或骨骼。
关于一二两种说法，只要看一看我国震旦纪的厚度大而分布又广的石灰岩层，就可以肯定那时的海洋不缺乏钙质。海水中既然含有大量的钙，也就不是什么酸性的了。
关于第三种说法，把寒武纪以前所形成的地层全部说成是大陆停积，是没有根据的。像我国的震旦纪石灰岩，与中、新生代陆相沉积的碎屑岩显然不同。退一步说，即使是陆相停积，也不能作为钙质骨骼不能形成的理由，因为我们知道，大陆上湖水及河水中的动物，如常见的淡水螺蚌，也具有钙质介壳，因而也能被保存为化石。
第四种说法，是雷蒙及布鲁克斯所主张的。他们认为“前寒武纪”动物为适应浮游生活，故无钙质骨骼，但指出可以有较薄、较轻的几丁质或硅质骨骼。这个说法好像能说明寒武纪以前的动物没有钙质骨骼的原因，但并不能解答寒武纪以前的动物化石何以如此贫乏的问题。因为钙质骨骼固然是保存化石的良好条件，而几丁质的介壳也同样能保存为化石，寒武纪地层中保存得很好的大量的三叶虫以及常见的舌形贝，正是具有几丁质的外壳。那么，那些没有钙质骨骼但可以具有几丁质外壳的寒武纪以前的动物，为什么也不能像寒武纪的三叶虫及舌形贝那样被保存为化石呢？
如上所述，资产阶级学者的种种解释，并没有能够真正地解答问题。其实，寒武纪以前生物化石的贫乏并不是什么奇怪的事，因为生物在萌芽和发展的初期，个体的数量就是比较小，分布的面积不广，分布的密度不大，因而能被保存为化石的机会就更少。虽然我们不能排除这种可能性，即今后随着地质、古生物工作的扩展和深入，还会在寒武纪以前的地层中找到若干零星的生物遗迹；但即使如此，由于寒武纪生物群的大发展，包括若干主要门类的生物（如三叶虫等）发展的飞跃，因而在寒武纪以前的古老时代与寒武纪之间，生物的演化是存在着一个很大的不连续（间断）。寒武纪以前的漫长的古老时代，是生物孕育、萌芽和发展的初期阶段，那时的生物群，作为整体来看，它的演化看来是缓慢的。这种长期的缓慢的演化，为生物体本身准备了质变的飞跃和大量繁殖的条件，因而一旦到达寒武纪，在适宜的外界环境条件（例如海水的温度、溶解的物质成分及营养物质等等）的促使下，就出现一个大发展，从而产生了大量的和较高级的生物。
生物发展的不连续性，在寒武纪与“前寒武纪”之间是异常突出的，但在以后的各地质时代这种不连续还陆续出现，使不同时代的生物群呈现显著的差异。总的说来，在每次不连续之后，就有更高级的生物通过质变的飞跃而出现，因而我们有可能根据不同的化石生物群来鉴别不同地层的先后时代。由于不同时代的地层往往含有不同的沉积矿产（例如震旦纪以前古老变质岩系中的沉积变质铁矿，震旦纪地层中的铁矿、锰矿，寒武纪早期地层中的磷矿，泥盆纪地层中的沉积铁矿，石炭纪地层底部的铝土矿，石炭纪、二叠纪及中、新生代地层中的煤矿、石油与天然气以及盐类矿产等等），因而古生物学的工作，通过对地层时代的鉴别，在寻找矿产资源为社会主义建设服务方面，具有重大的实际意义。