作者/李易諭

史丹諾在大學時,專攻醫科,不過在畢業之後,史丹諾開始周遊列國,結識更多的科學家。在周遊列國時,史丹諾接觸了不少解剖學的專家,於是他開始專攻解剖。但這個技能意外地開啟史丹諾與地質的因緣。他在遊學阿姆斯特丹時,找到動物腮腺管內的唾液,是當時劃時代的發現。而從此,他就以解剖學聞名於天下,並成為義大利Padua大學的解剖教授。

在1666年時,在利沃諾(Livorno)當地的漁民捕獲到一條巨大的鯊魚。於是當地的托斯卡納大公命令漁夫將鯊魚頭寄給史丹諾供其研究。史丹諾在解剖鯊魚頭後,赫然發現一項驚人的事情,那就是鯊魚牙齒長的和當時認定的岩石,glossopetrae或者說舌石(tongue stones)十分相似,這些岩石的樣子如下圖所示:

「奇怪?鯊魚牙齒怎麼和舌石長的那麼像」,史丹諾疑惑著,「舌石是如何形成的?會不會其實舌石和鯊魚牙齒是相同的東西?」,於是史丹諾開始展開鯊魚牙齒和舌石的研究。

在17、18世紀時,科學家對於這種外觀貌似生命體的物體、出現在岩石內的物體感到好奇,如:舌石和高山貝殼。但是當時的科學界對於這些物體的成因並沒有定論,於是有了兩派的學者企圖說明他們的形成機制

有一派遵循聖經思維的科學家們,相信聖經裡描述的大洪水事件,被後人稱之為水成學派。他們認為歷史上發生多起大洪水事件,溶解、侵蝕地貌,以及後續沉澱,造成地表的高低起伏,形成高山平原與盆地。也解釋了為何在遠離海邊的高山上,會出現海中的生物,如:貝殼。所以當水成學派的科學家看到高山裡的貝殼,立即聯想到聖經紀載的大洪水事件,海水曾瀰漫整個地表,並將海中生物帶到高山的位置,而生物因為受到洪水襲擊而死亡,留下的殘骸即是現今所見之貝殼。

但當時另外一派學者(natural philosophy),則認為化石只是在地層裡面生長,形成類似生物的外觀的岩石而已,如此一來,在山中出現長的像貝殼的東西也不足為奇。像是與史丹諾同時期的科學家Athanasius Kircher就認為,宇宙與萬物息息相關,所以在微觀尺度下的物體型態,會與地球上的物種類似,這個概念就好像東方人的天人交感。這樣的想法在17世紀也蔚為風行,所以有不少科學家就認為舌石是岩石中自然而然長出來的,是介於生物和非生物之間的物質,只是外型恰好像鯊魚牙齒。

在1027年時,科學家Persian Avicenna進一部闡述亞里斯多德的理論,認為化石的確與生物殘骸有關,只不過這些殘骸都經過石化作用,也就是化石仍然保有生物外型樣貌,只是內部的肌肉組織等,由岩石礦物的材料填充之,才被保存下來。

像是在西元1世紀的Pliny the Elder,就覺得舌石是恐龍或者蛇的舌頭,經過石化之後被保留下來。

天人交感的理論顯然不能說服史丹諾,因為他解剖的標本和舌石實在太像了。而且史丹諾本身是虔誠的基督教徒,偏好聖經裡的解釋,也就是化石其實是生物遺骸。於是抱持著疑惑的史丹諾繼續研究各式各樣的鯊魚牙齒,並且仔細比對舌石,發現舌石其實是一種已經絕種的鯊魚的牙齒。

這個驚人的發現,使史丹諾認為鯊魚牙齒和舌石長的很像絕非巧合,甚至可以大膽將鯊魚牙齒和舌石畫上等號。此外,舌石和周遭岩石緊密的鑲嵌,如果化石是從岩石內部開始生長,則舌石應該要受到周遭堅硬的岩石影響,產生扭曲的型狀,不可能長的那麼像鯊魚牙齒。必定有其他原因,造成岩石裡面包含著舌石。

「究竟為甚麼岩石裡面會出現鯊魚牙齒呢?他們的來源又是甚麼?」史丹諾陷入沉思,同時開始查閱文獻,想知道其他人是怎麼看待舌石的存在。找著找著,史丹諾發現了達文西的手稿。在手稿中記載著:

「現在海邊的岩層上生長、吸附著許多貝殼,而近海邊的岩層內同樣出現了許多貝殼,而海邊與近海處的貝殼根本上是一樣的,看來化石應該是生物的遺骸」,史丹諾讀到這邊,更加確信舌石就是鯊魚死後留下的牙齒。不過史丹諾想到不可能直接觀察到鯊魚死亡的過程,還需要其他證據說明舌石的確是生物殘骸。缺乏決定性證據的史丹諾著急地翻著書,終於,皇天不負苦心人,史丹諾找到科學家Fabio Colonna在1616年的發現。

在1616年時,Fabio Colonna利用他的解剖學技巧,對比數種鯊魚的牙齒與舌石,由於外表結構相似度極高,所以Colonna假設舌石其實就是鯊魚牙齒的遺骸。不過Colonna還需要另外一個證據,不然其他人無法解受單憑外型相似,就說他們是相同的物質。所以Colonna心想,既然舌石是生物遺骸所留下來的,那應該含有不少有機質吧。於是Colonna用火燒舌石和鯊魚牙齒,發現燒完之後,兩者均留下相同的碳化物質,證實了舌石的來源的確和生物有關。有了Colonna的資料佐證,史丹諾具備了建構化石理論的一切基礎。

身為基督教徒的史丹諾,對於陸上出現鯊魚並不感到奇怪,他認為只要發生大洪水事件,就能帶著鯊魚到陸地上。史丹諾認為舌石其實就是鯊魚牙齒,在鯊魚死後,肉體的部分腐爛,只留下堅硬的牙齒,這些比較重的物質率先沉積至底部,而泥沙等沉積物慢慢從洪水中沉澱,覆蓋在鯊魚牙齒之上與四周。隨著時間遞移,覆蓋的沉積物越來越多,鯊魚牙齒和岩層一同被壓密,如此一來,便能解釋為何舌石和周遭的岩石是緊密鑲嵌的。洪水退卻,接觸到空氣的沉積物的水分被蒸乾,再受到膠結固化之後,生物殘餘的部分就被保留下來,形成了化石。

化石要形成,必須有堅硬的部分被留下,加上旁邊有沉積物持續供應,才能一同膠結並保存下來。史丹諾釐清化石形成的脈絡後,漸漸地對周遭的岩層也產生了興趣。

在義大利的Tuscany,史丹諾被眼前的岩層們震懾住了,一大片平整的岩層映入眼簾,這些岩層有明確而強烈的分界,似乎想告訴人們它們形成時,專屬自己的故事。

於是史丹諾開始對每個岩層內的化石,以及岩層特性,進行仔細的觀察。平整的岩層,讓史丹諾不由自主的回想起,他曾經在Ole Borch的工作坊看到的實驗-沉積物沉澱的過程。不論沉積的底部多麼不規則,沉積物的頂部受到都呈現一個平滑的水平面。由化石和沉積物共同形成的緣故,史丹諾衍伸推論出岩層也經過相同的歷程,同樣是因為海水中的物質沉澱後,一層層堆疊上去的。

再加上史丹諾對Tuscany其他期岩層的觀察,他也發現最底部的岩層並沒有生物化石,可能是形成於生物被創造之前;而史丹諾認為沉積物要形成堅固的岩石,必須等洪水退卻,讓沉積物有機會接觸空氣,乾燥之後固化。因此諸多岩層紀錄的是不同期的洪水事件,讓史丹諾更加確信海水淹沒至陸地上的事件不只一次,講述著各自的形成故事。

「岩石和礦物在固化之前,均溶解在大洪水中,之後這些物質開始沉澱結晶,從最接近底部的位置沉積,經過壓密膠結與固化,形成岩層之後,再陸續由下往上,一層層的沉積新的岩層。因此老的岩層在底部,頂部則是年輕的地層。在沉積的過程中因為受到重力的影響,所以會以水平平整的方式沉積,形成我們所見到的水平地層!」。史丹諾解釋到地層如何形成,這也是著名的史丹諾沉積定律-水平疊置定律。岩層在沒有到外力的干擾之下,單純受到重力影響,會以水平的方式沉積;而位於下面的岩層相較於上面的岩層,形成年齡較為古老,岩層的上下關係也就能代表相對時間的先後順序。

身為一個地質學家,史丹諾也喜歡到處遊山玩水,實地考察以驗證自己的理論是否正確。有一天他來到了佛羅倫斯的Apennine Mountains,發現了一套岩層,完全符合他心中的模型,也讓史丹諾更加堅信自己的想法是正確的。

「這邊的岩層好像可以分成兩種ㄝ,下面的那層沒有化石,和上面那充滿化石的岩層好不一樣。」史丹諾稍微停頓了一下後,隨即想到大洪水事件。

「在諾亞大洪水事件,生命尚未出現之前,率先沉積了底下的岩層,所以它才沒有什麼化石;之後發生諾亞大洪水,把生物聚集到此處,生物死亡後留下遺骸就形成了富含化石的岩層。原來地層和化石可以告訴我們這麼多的故事。」史丹諾心滿意足的看著眼前的岩層,推論出他們的形成歷史後,瀟灑離開。

雖然史丹諾還是遵循著舊約聖經的想法,不過他的貢獻-水平沉積定律-至今仍然適用,是地質學界研究野外岩石最基本也最重要的準則。而史丹諾提出岩層之間相對的年代關係,更是讓地質學家對於地球歷史的解釋,有最樸實但相當強力的參考依據。

參考資料:

Nicolas Steno - Wikipedia

Niels Stensen

Genesis flood narrative - Wikipedia

History of paleontology - Wikipedia

Athanasius Kircher: The Last Man Who Knew Everything - Google Books

Studies in Ancient Technology - Forbes - Google Books

The Internet Classics Archive | Meteorology by Aristotle

Fossil - Wikipedia

Shark tooth - Wikipedia

Nicholas Steno

 Macleod, Norman. (2005). Principles of stratigraphy. Encyclopedia of Geology.

Fabio Colonna - Wikipedia

The Origins of Geology in Italy - Google Books

Nicolaus Steno From Tuscany to the World

History of geology—Steno

How the Dissection Of A Shark's Head Revealed The True Nature Of Fossils

Geochronology - The principle of superposition of rock strata | Britannica

Nicolaus Steno | Danish geologist | Britannica