达尔文的进化论,差点被开尔文“杀死”了

2021-09-27 08:45:59

  事实上,达尔文提出的基于自然选择学说的进化论,并不总是像我们如今看到的这么辉煌。它曾经经历过一段黯淡的历史,被一朵重重的来自以开尔文为首的物理学家的“乌云”所笼罩。其中最关键的问题在于,地球的年龄是否足够大,它的年龄下限能否满足自然选择的需求。庆幸的是,经过一段时间的试炼,自然选择最终得到了它所需要的时间。

  撰文 | Mano Singham

  翻译 | 郑昱虹

  审校 | 王怡博

  “这是最好的时代,也是最坏的时代。”这是查尔斯·狄更斯1859年的小说《双城记》的著名开场白,此处的“时代”原本指法国大革命时期。巧合的是,提出“自然选择进化论”的查尔斯·达尔文(Charles Darwin)的经历,也可以用这句话来描述。达尔文出生于最有利于他的理论发展的1809年,去世于他的理论面临被抹杀风险的1882年。著名的物理学家开尔文(Lord Kelvin)是达尔文的“死敌”,而他用来对付达尔文的武器,是地球的年龄。

  灾变论?均变论?

  早在达尔文之前就出现了各种各样的进化论。无论哪种说法,有一点是肯定的:演化需要一段漫长的时间,虽然这些假说都很难明确地指出具体的时长,但通常认为需要几千万年或数亿年长的时间跨度。可是自1650年起,基于主教乌雪(Bishop Ussher)、艾萨克·牛顿(Isaac Newton)和许多其他学者的研究而发展出的一种主流理论却认为,地球的年龄约为6000岁。这些学者的研究考察了多种历史文本记载。

  随后,地质学和生物学的理论就不得不去适应这一较小的时间范围。由此发展出的地质学上的“灾变论”认为,科罗拉多大峡谷、喜马拉雅山脉等主要地貌的形成源于地球上突然发生的剧变。而当谈到生物多样性时,当时主导的观点是“特创论”,认为生物是根据特定的生态位被专门设计出来的,因此一旦被创造出来就永恒不变。

  面对如此短的时间间隔,任何学者都不可能令人信服地提出缓慢演化的理论,也就是认为新物种是缓慢而不是突然出现的。不过,在1785年前后,关于地球年龄的说法开始发生根本性的改变。这是因为地质学家和古生物学家开始利用地球本身的特征估计地球的年龄,如岩石的侵蚀、沉积、地层和地层中嵌入的化石。在此基础上,主张地质特征是由微小变化缓慢积累而成的“均变论”逐渐获得认同。1830年,查尔斯·莱伊尔(Charles Lyell)的三卷《地质学原理》(Principles of Geology)巩固了地球已经存在了上亿年甚至更久的观点。至此,“均变论”取代之前的“灾变论”,占据了主导地位。

  达尔文:自然选择学说

  达尔文对地质学也很感兴趣,而且他很熟悉莱伊尔的工作(他们后来成为了密友)。1831年至1836年期间,当达尔文乘坐贝格尔号(HMS Beagle)进行为期五年的环球航行时,他就随身带着莱伊尔的前两卷书。在这趟旅途中,达尔文观察所到之处的物种特征,自此他的理论开始萌芽。随后的研究经验告诉他,即使有意选育具有特定特征的鸽子,这个过程也需要很长的时间。那么,可以想象他对于“物种演化需要多长时间”这一问题的回答——在莱伊尔和其他地质学家的研究基础上,他大胆地推测,依靠自然选择完成物种演化至少需要数亿年。

  达尔文刚好出生在一个“物种永恒不变”的观念开始瓦解的时代。尽管达尔文接受的仍是当时占主导地位的特创论,但他成长的时代也使他有机会了解进化论的基本思想。1794年,达尔文的祖父伊拉斯谟·达尔文(Erasmus Darwin)就曾出版了一本《动物法则》(Zoonomia),并在书中探讨了原始进化论的观点。1802年,拉马克(Jean-Baptiste Lamarck)也发表了他的进化论模型。但这一时期,关于进化机制的各种模型,如拉马克学说、定向进化、用进废退,都意味着某种程度的目的论,即进化的过程具有内在的方向性。

  幸运的是,新的地质学理论重新打开了极长的演化时间“窗口”,在此基础上,达尔文和阿尔弗雷德·罗素·华莱士(Alfred Russell Wallace)发展出了有别于其他进化论模型的自然选择学说。他们的学说揭示了,在马尔萨斯主义(Malthusian)人口论的限制下,生物多样性如何自然地产生,而不被任何神秘力量引向特定的方向。

  他们的理论认为,演化是偶然性驱动的,物种如何演化取决于偶然因素和不断变化的环境。也就是说,如果时间重来,自然界或许是截然不同的样子,人类很可能都不会出现。他们的学说首次出现在1858年共同发表的一篇论文中。一年后,达尔文出版了他的著作《物种起源》(On the Origin of Species),这本书汇集了大量经过仔细推敲的论证,这有助于证实进化论的真实性。

  在他们提出的学说中,人类的地位发生了根本性的改变。人类不再是由上帝专门创造出来的,而只是在物种演化过程中偶然形成的一个副产物而已。这立刻引起了极大的争议,因为它质疑了“人类是特别的”这一关键的宗教信条。因此,在之前的进化论被接受的情况下,自然选择学说依然引起了强烈的反对。当时的许多科学家都是宗教信徒,他们相信神导进化论(theistic evolution),认为有一种超自然的力量在引导这一过程。

  来自开尔文的乌云

  尽管所有的进化论模型都需要很长的时间,但是相比于神导进化论,自然选择所需要的时间都要长得多。因此,地球的年龄越小,对自然选择学说就越不利。物理学家们是提倡地球很年轻的主力军,其中以著名物理学家开尔文为首,他是神导进化论的拥护者。需要强调的是,这里说的“年轻”指1亿年左右或更短。那时,就连信仰宗教的科学家,也已经放弃了地球只有6000年历史的说法。

  自大约1860年起,开尔文和其他物理学家们开始利用1750年左右伊曼努尔·康德(Immanuel Kant)和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)提出的星云假说(nebular hypothesis)估算地球和太阳的年龄。在星云假说的模型中,地球和太阳最初是一团旋转的粒子云。这些微粒在万有引力的作用下结合,形成熔融球体,随后地球逐渐凝固、冷却。利用热力学定律和其他物理学原理,开尔文估计地球年龄在2000万年-4亿年的时间范围内。到了1879年,地球年龄的上限已降至1亿年左右,而太阳的年龄上限甚至降至2000万年,远低于使自然选择产生作用所需的2亿年。由于物理学被认为是最严谨的科学,当时的形势对自然选择学说很不妙。

  1882年达尔文去世,人们悼念这位伟大的科学家,因为他提出的基于自然选择学说的进化论,从根本上改变了我们对生物多样性的理解,并推翻了生物永恒不变的理论。但是随着物理学家估算出的地球年龄越来越小,直到达尔文去世,自然选择学说上还是笼罩着一朵重重的“乌云”。他最后对解决这朵乌云表达了悲恸的期许——希望未来的科学发展能利用严密的物理计算来证实自然选择的时间需求。

  “正如开尔文勋爵所强调的,地球的固化只涉及定量的有机变化,这个过程的时间间隔较短,因而不足以完成自然选择。这可能是至今提出来的最严峻的反对意见,对此我只能说,首先,我们不知道物种演化的速率;其次,很多其他领域的科学家并不认为我们已经对地球内部结构了解得足够多了,因此之前对地球年龄的推测可能不可靠。”

  这样看来,其实达尔文已经预料到随着对地球内部结构认识的提高,有可能会使地球年龄的计算结果偏向自然选择学说这一边。但在当时,这个观点对他来说似乎只是根救命稻草。事实上,在随后很短的时间内,形势变得更严峻了。开尔文等人所做的新一轮计算,使地球的年龄再度减小,到1895年,物理学界的共识是,地球的年龄范围在2000万-4000万年。这样看来,自然选择学说似乎注定要“死亡”了

  乌云开始消散

  但是这一次,物理学家们遭遇了来自其他学科激烈的反对。地质学家们坚持认为,他们的模型是基于岩石在地球上逐年沉积和侵蚀而累积的证据,虽然不像物理模型那么严密,但足以确定地球年龄的下限为1亿年。古生物学家也提出,化石记录与物理学家所提出的较短年龄并不一致。地质学界和古生物学界都认为,物理学家一定是在某个地方出错了,虽然他们不知道具体的问题出在哪。此时,有关地球年龄的研究似乎陷入了僵局。

  最终,在1895年,这一僵局就开始被打破了。开尔文的前助手,物理学家约翰·佩里(John Perry)对开尔文关于地球是一个刚性同质体的假设提出了异议,他表示几乎没有证据支持这一假设。而且他发现通过引入地球内部的非同质性和流动性(对流),开尔文对地球年龄的估算值可能会发生高达100倍的变化,其上限将变为数十亿年。其他物理学家也纷纷提出了类似的上调幅度,而且这促使了地质学家、古生物学家和生物学家们不再理会物理学家提出的“地球很年轻”的观点。

  终于,放射性(radioactivity)的发现彻底改变了这一局面。放射性带来了一种全新的测量地球年龄的方法——科学家们可以直接计算岩石的年龄。所能找到的最古老的岩石就对应于地球年龄的下限,因此利用这种方法不断找出越来越古老的岩石,地球年龄下限也随之迅速刷新:在1905年,所能找到的最古老的岩石距今1.41亿年;1911年为16.4亿年;1935年为19亿年;1947年为33.5亿年;到1953年,最古老的岩石距今45亿年,这也就是目前公认的地球年龄下限。到这里,压在自然选择学说上的乌云似乎已经消散了,而达尔文与开尔文之间的“斗争”似乎也要画上一个句号了。

  到1907年开尔文去世(享年83岁),人们也不清楚他是否真的接受,他对地球年龄的估算不再成立。但当时达尔文许下的愿望,终于在他死后30年实现了——科学证实了,开尔文是错误的。令人感慨的是,历经几十年的审判后,达尔文的进化论最终得到了它需要的时间

  原文链接:

  https://www.scientificamerican.com/article/when-lord-kelvin-nearly-killed-darwins-theory/

  本文转自环球科学

文章来源: http://www.beirang.cn/keji/1657143.html

标签:达尔文进化论地球

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