引言 深時

從熔融的內部到堅硬的外殼，整個地球都是由巖石構成的。通過研究巖石和化石（地質學和古生物學），人類對地球的形成和發展有了深入的了解。盡管我們已經掌握了這些信息，但要理解地史，即深時（deep time），依舊很難，因為它遠遠超出了人類的經驗范疇。

地質學家研究地層組成、年齡和分布，從而闡明諸如板塊構造、氣候變化、生命起源及進化的過程。地質學的原理看似簡單，實則繁復，因為在深時里，堅硬的巖石可以像水一樣流動，也可以像紙一樣皺縮。新巖石的形成伴隨著舊巖石被吞噬的過程。與此同時，化石的分布是不均勻的，這不僅體現在化石所處的空間位置上，還體現在化石所代表的特定時間段上。此外，有骨骼的動物比沒有骨骼的動物更容易形成化石。大約300年前，人類開始認真思考這些謎題。在更早的時候，人類就嘗試著解讀世界，比如將山頂上的貝殼解釋為古代洪水留下的證據，以及用神話來解釋在草原絲綢之路上的沙漠中發現的恐龍骨骼。

地質年代

地質年代是用于描述地球46億年生命中事件發生的時間，它被分割成極為精細的尺度，從宙、代到紀，再到期。其中大部分是由歐洲地質學家命名的，并根據他們在地層中觀察到的明顯變化來定義，比如從石灰巖到砂巖的突然轉變，或者化石新種的出現。隨著我們對地質過程的深入了解，有關這些時間尺度的細節不斷完善，年代也越來越精確。

科學家使用的現代時標被稱為年代地層表（chronostratigraphic chart），它綜合了多種來源的信息，包括巖石和化石中放射性元素的年代測定。盡管科技日新月異，地質年代背后的一個關鍵原則仍是對生物的化石研究，以及它們是如何在深時出現、發生變化和消失的。

地層里的故事

關于巖石的最早記錄來自古希臘和古羅馬，那時的人研究了石頭、金屬和礦物，并認識到地球隨著時間的推移發生了巨大變化。大約在公元1000年，波斯和中國的學者通過地層的成分來推測地貌的形成過程。11世紀的自然科學家伊本·西拿（Ibn Sīnā）是伊斯蘭世界最偉大的學者之一，他認識到巖石的沉積和山谷的形成需要無比漫長的時間。在中國，沈括也注意到了沉積和侵蝕的過程，貝類化石更是表明中國內陸的部分地區曾經是海洋。

詹姆斯·赫頓（James Hutton）是西方地質科學領域的主要人物，被稱為“現代地質學之父”。與先前的偉大學者一樣，赫頓也觀察到了侵蝕和沉積現象，并意識到巖石當時的狀態揭示了其形成過程。他還提出了關于深時的新觀點，并認識到地層可以抬升、傾斜和折疊，從而形成山脈、山谷以及復雜的地貌。人們對地質過程的認識也由此進入了新階段。

層層疊疊的巖石

地球上的巖石類型主要有火成巖（巖漿巖）、沉積巖和變質巖三種。火成巖來自地表以下，要么由噴出地表的巖漿冷凝而成，要么由侵入地殼的巖漿凝固而成。沉積巖則積聚在地球表面，由被侵蝕的巖石和礦物的碎片、生物化石或化學沉淀物（如碳酸鹽）組成。變質巖一開始是火成巖或沉積巖，在壓縮或加熱等作用下發生了變化。當巖石直接接觸到熾熱的巖漿或者像油灰那樣被折疊、壓制和擠壓時，它就會變質。變質通常意味著巖石化學成分的改變，礦物在重新排列時會形成新的紋理和圖案。

地質學中最重要的原理與了解地層所處的地質年代密切相關。沉積巖一層一層地疊在一起，就像一層又一層的蛋糕。最古老的地層在底部，越往上，地層越年輕。地層中的化石展示了生物的演變歷程，而只存在于特定時期的指準化石（index fossils）可以用來確定地層的年代。然而，在漫長的歲月里，地層可能會傾斜或折疊，并將較老的地層推到較新的地層上面，沿著蘇格蘭西北海岸分布的莫因沖斷帶就是一個典型例子。地層也會被雨雪沖走，在巖石記錄中留下缺口。火山活動會將巖漿閃電般注入已經存在的地層。地表的裂縫、斷層線和板塊構造會使地層相互移動，形成復雜且混亂的模式。解釋這些模式是一項復雜而艱巨的工程，只有將它們置于地球漫長的一生中，我們才能真正理解它們。

躁動的板塊

大陸漂移是板塊構造機制的一部分，而板塊運動是塑造地球的基本過程之一。地球表面雖然看起來是一個固體涂層，但實際上是由巖石板塊組成的。地球上大約有8個主要板塊和幾十個較小板塊，它們會隨著地球熔融內核的沸騰和攪動而不停地移動。地球內核的熱量產生了對流，使這些板塊在數百萬年的時間里分分合合。由于厚度不同，板塊之間會相互滑動或者向上折疊和擠壓，從而形成山脈。在板塊交匯和分離的地方，如環太平洋火山地震帶，火山和地震會頻繁發生。

許多較大的板塊都包含一個古老的核心，后者被稱為克拉通。克拉通是地殼中最古老的部分，其中一些形成于40億年前，即地球誕生后不久。通過研究克拉通，地質學家已經能夠拼湊出地球的形成過程。在過去的35億年里，尤其是在復雜生命出現之后，大陸板塊的移動對生物進化過程產生了巨大影響，其中包括創造了新的棲息地，形成了海洋又使其消失，改變了氣候，以及使生物相互隔離了數百萬年。

生命的模式

進化迸發出光芒，借著這光芒，我們可以看到地球絢麗多彩的歷史。人類對進化的認識雖然起步較晚，但已經徹底改變了有關生物和化石的研究。進化與自然環境之間關系密切，因此，生命的模式與不斷變化的地球是緊緊聯系在一起的。

最早認識到進化過程的是查爾斯·達爾文，隨后是阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士（Alfred Russel Wallace）。(1)自然選擇理論從根本上決定了我們對地球上所有生命模式的理解。有關進化的研究結合了生物學、古生物學、地質學、生態學和數學等。進化是一個看似簡單的概念，即性狀的遺傳及其與生存的關系，但又包含了錯綜復雜的內容，我們在理解和描述它時很容易出現錯誤。

隨著計算機和遺傳學的出現，我們對性狀選擇和代際傳遞的認識比以往任何時候都要深刻。這些知識主要來自對巖石和化石的研究，而巖石和化石提供了有關時間尺度的信息，這是人類僅憑肉眼在幾百年的時間里都無法觀察到的。正因如此，我們才得以了解到地球不斷變化的面貌是如何塑造其居民的。如果沒有這種對過去的洞察，我們就不可能知道現在的世界是如何形成的，也無法預見氣候變化下的未來是什么樣子的。

共同的祖先

進化的關鍵之處在于，地球上的所有生命都是由共同的祖先演變而來的。祖先將性狀遺傳給后代，那些能為生存帶來優勢的性狀則在整個類群中代代相傳。雖然這聽起來很簡單，但在很長一段時間里，人們把選擇看作一個努力追求進步或完美的積極過程，這種觀點至今仍然存在。實際上，進化并沒有終極目標，性狀不是由生物體主動選擇或發展的，而是每一代隨機獲得的。簡而言之，進化是一個不涉及價值判斷的持續過程。

自卡爾·林奈（Carl Linné）于18世紀創建分類系統以來，生物就被分成了不同的類別。這種分類方法以解剖學為基礎，通過骨骼和器官的特征將生物（包括其化石）進行分類。現代科學采用的是支序分類學，而不是林奈創建的分類法。支序分類學不僅關注生物體，還將解剖學和遺傳學結合起來，根據共同的祖先進行分類，擁有共同祖先的生物體就屬于一個支系。這反映了人類對生物之間的真正關系以及進化過程的深刻理解。

在過去的幾十年里，遺傳學重寫了對生物之間的關系的認識，原來的許多分類法也因此過時。對于因板塊構造而隔離的生物，遺傳學揭示了它們是如何在各個大洲獨立繁衍的：通過一個被稱為趨同進化（convergent evolution）的過程，這些生物通常會進化出相似的生存能力和適應能力。由于我們只能接觸到現存生物的基因，所以化石研究在解釋生命進化方面發揮著重要作用。

節奏和模式

遺傳學知識的傳播、數學的應用和計算機的發展曾在生物科學領域掀起一場革命，催生了現代綜合論（modern synthesis）。這場革命始于20世紀上半葉，在此之前，簡單的觀察是理解生物關系和自然選擇的唯一方法，這無疑會受到觀察者的技能或假設的影響，而新方法是定量的，可以用數學來檢驗。

對于進化的速度以及它所遵循的主要模式，化石提供了關鍵數據。化石研究結果表明，進化可以像達爾文預測的那樣緩慢而漸進地發生，但速度非常快的物種大爆發也發生過，這催生了許多全新的物種。研究結果還表明，進化不是線性和定向的，而是不規則的，存在許多分支，也沒有既定目標。我們可以利用數學將進化過程中的變化與重大事件（如生物滅絕和氣候變化）相匹配。由此，我們得以勾勒出一幅復雜的自然選擇圖景，這大大改變了我們對地球生命進化史的看法。

生態系統和生命

一張巨大而混亂的生命網在地球上的生態系統中傳遞著能量。一個完整的生態系統包含植物、動物、微生物，以及它們之間的密切互動，甚至是與地質、氣候的相互影響。我們可以從能量和物質的流動這個角度來理解生態系統，通過光合作用、捕食、分解和養分循環，能量和物質以傳遞游戲的方式在生態系統內流動。這些相互交織的能量網在生命誕生時就出現了，隨著生物體變得越來越復雜，各種交互作用也隨之產生。最終，進化與生態系統變化緊緊聯系在了一起。

在漫長的歷史中，氣候變化和自然災害也對生態系統產生了深遠的影響，并打亂了生態系統中錯綜復雜的生命網。這種影響擾亂了生命的進程，為新的群體帶來了選擇性優勢。在地球生命的進化史中，有時整個生態系統走向崩潰，其居民隨之成為化石；有時，在新能源或特定捕食關系的支撐下，全新的生態系統也會出現。