查尔斯·狄更斯1859年小说《双城记》中著名的开篇词“那是最好的时代,那是最坏的时代”,指的是法国大革命时期。但他同样也可以用这句话来描述与他同时代的查尔斯·达尔文和他关于自然选择进化论的经历。达尔文出生于1809年最好的时代,当时的环境非常有利于他的理论蓬勃发展,但他死于1882年最坏的时代,因为他的理论有可能很快被扼杀。达尔文的克星是杰出的物理学家开尔文勋爵,而用来对付他的武器是地球的年龄。
在达尔文之前就存在各种进化论,但无论人们倾向于哪种版本,有一点是明确的:它的后果需要很长时间才能显现出来。确切的时间长度很难确定,但人们认为这需要数千万甚至数亿年的时间。从1650年开始,关于地球年龄的主流理论,基于厄舍尔主教、艾萨克·牛顿和许多其他学者的研究,他们使用了各种文本来源,认为地球的年龄约为6000年。
地质学和生物学理论不得不适应这个短暂的时间框架。被称为灾变论的地质理论假设,像大峡谷、喜马拉雅山脉等主要地貌是突发性和剧烈性剧变的结果。在生物多样性方面,特殊创造论的观点盛行,即生物体是不可变的,并且经过特殊设计以适应它们所处的生物生态位。
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如此短暂的时间窗口使得任何人都不可能可信地提出通过缓慢进化过程出现新物种的观点。但大约在1785年,随着地质学家和古生物学家开始使用地球自身的特征,如侵蚀、沉积以及地层和其中嵌入的化石层来估计地球的年龄,关于地球年龄的观念开始发生根本性的变化。均变论,即主要地质特征是由微小变化的极缓慢积累造成的,逐渐占据上风,并在查尔斯·莱尔1830年出版的史诗般的三卷本著作《地质学原理》中达到顶峰,该著作巩固了地球已经存在数亿年甚至更长时间的观点,以至于似乎不可能确定实际年龄。
达尔文也是一位敏锐的地质学学生,他熟悉莱尔的著作(他们后来成为挚友),并在1831-1836年乘坐贝格尔号HMS环球航行五年期间随身携带了他的书的前两卷,在此期间,当他观察他访问的各个地点的物种模式时,他的进化论思想开始萌芽。达尔文从他对鸽子的研究中了解到,即使是刻意培育特定特征也需要很长时间才能产生。但是需要多少时间呢?他认为至少需要数亿年的时间。莱尔和其他地质学家的工作使他能够放心地假设,存在足够的时间让自然选择发挥作用。
达尔文成长的时代,物种不可变的观念已经开始瓦解。虽然达尔文被教导并接受了仍然占主导地位的特殊创造论,但他也很熟悉进化的普遍观念。他自己的祖父伊拉斯谟斯·达尔文在1794年出版了一本名为《动物法则》的书,探讨了原始进化思想。让-巴蒂斯特·拉马克在1802年发表了他自己关于进化如何运作的模型。为进化机制提出的各种模型,如拉马克进化论、直生论和用进废退,都暗示了某种程度的目的论:即该过程内在存在方向性。
新地质学开启的极其漫长的时间窗口,使得达尔文和他的共同创造者阿尔弗雷德·罗素·华莱士能够独立工作,从而发展出自然选择的中心新见解,这与其他的进化模型不同,它展示了多样性如何通过马尔萨斯人口选择压力的过程自然产生,而没有任何神秘的力量将该过程导向任何特定目的。
他们的理论认为,进化是偶然性驱动的,即生物体如何进化取决于偶然因素和不断变化的环境,这表明如果我们让时间倒流,我们可能会得到非常不同的结果,人类可能永远不会出现。他们的工作最初于1858年在一篇联合论文中提出。达尔文的主要著作《物种起源》于一年后出版,是对大量证据进行严密论证的汇编,这有助于确立进化是一个事实。
他们的模型所暗示的人类地位的根本性变化,从按照上帝的形象被特殊创造,到仅仅像所有其他物种一样成为进化过程的另一个偶然副产品,立即引起了争议,因为它挑战了人类是特殊的这一关键宗教信条。这就是为什么即使进化被接受,自然选择也引起如此大的反对。当时的许多科学家都是有宗教信仰的,并且相信神导进化论,即超自然力量正在引导这个过程以产生期望的结果。
虽然所有进化模型都需要很长时间,但自然选择比任何受引导的选择过程都需要更长的时间。因此,地球的年龄越小,自然选择就越不可能成为机制。物理学家,在杰出的开尔文勋爵(他本人也是一位神导进化论者)的带领下,是支持年轻地球论的先锋,但必须强调的是,当时的“年轻”意味着大约1亿年或更短。即使是有宗教信仰的科学家也放弃了地球只有6000年历史的观点。
从1860年左右开始,开尔文和其他物理学家开始使用康德和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯在1750年左右提出的星云假说来估算地球和太阳的年龄。该模型将地球和太阳视为最初是旋转的粒子云,这些粒子在重力作用下聚结形成熔融球,地球随后凝固和冷却。开尔文使用热力学定律和其他物理学原理,得出了2000万至4亿年的估计值。到1879年,地球的上限已降至约1亿年,太阳的上限甚至更短,为2000万年,远低于人们认为自然选择发挥作用所需的2亿年左右。由于物理学被认为是所有科学中最严谨的,自然选择的前景看起来不妙。
当达尔文于1882年去世时,他被人们尊为一位伟大的科学家,他彻底改变了我们对我们周围所见的生物体巨大多样性是如何产生的理解,推翻了它们是不可变的观点。但由于地球年龄的缩短,他去世时,自然选择机制上笼罩着一片乌云。达尔文关于这个话题的最后遗言,写于他去世前两年的1880年,表达了一种悲哀的希望,即未来的发展可能会调和自然选择的需求与物理学计算。
“关于自我们星球凝固以来,时间流逝不足以满足假定的有机变化量,以及[开尔文勋爵]提出的这一异议,这可能是迄今为止提出的最严重的异议之一,我只能说,首先,我们不知道以年为单位衡量的物种变化速度是多少,其次,许多哲学家还不愿意承认我们对宇宙的构成和地球内部的了解足以安全地推测其过去的持续时间。”
事实证明,达尔文具有先见之明,他对地球内部知识的改进可能会改变对他的有利计算,但当时他似乎是在抓住救命稻草。事实上,在短期内,问题变得更糟,因为开尔文和其他人进行了新的计算,导致地球的年龄进一步缩短,因此到1895年,物理学界的共识是地球的年龄在2000万至4000万年之间。自然选择似乎注定要失败。
但物理学家现在遇到了来自其他学科更强烈的反对。地质学家坚决认为,他们基于沉积和侵蚀的累积证据的模型,虽然不如物理模型那么严谨,但已经足够成熟,他们对1亿年的下限充满信心。古生物学家也认为,化石记录与物理学家较短的年龄不符。两组人都认为物理学家肯定在某个地方出了问题,即使他们无法指出具体的缺陷。
从1895年开始,当物理学家约翰·佩里(开尔文的前助手)挑战后者关于地球是一个刚性和均匀体的假设时,僵局开始被打破,他说几乎没有证据支持这一假设。通过引入地球内部的不均匀性和对流,他发现开尔文对地球年龄的估计值可能会变化多达100倍,将上限转移到数十亿年。其他物理学家也纷纷表示赞同类似的向上调整,这鼓励了地质学家、古生物学家和生物学家忽视物理学家关于年轻地球的论点。
放射性的发现决定性地改变了局面;它导致了一种全新的测量地球年龄的方法,通过允许科学家计算岩石的年龄。由于可以找到的最古老的岩石为地球的年龄设定了下限,因此使用这种方法寻找更古老岩石的竞赛开始了;记录迅速被打破,到1905年达到1.41亿年,到1911年达到16.4亿年,到1935年达到19亿年,到1947年达到33.5亿年,到1953年达到45亿年,这也是目前的共识所在。
当开尔文于1907年去世,享年83岁时,尚不清楚他是否接受了他的估计不再有效。但达尔文希望开尔文会被证明是错误的,并且最终会证明存在足够的时间让自然选择发挥作用,这一希望在达尔文去世30年后实现了。他的理论现在拥有了它所需的所有时间。
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