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生物进化

“动手做”文档  
C. Gouanelle, P. Schneeberger    
IUFM 波尔多    
发表:1995 网上发布 :  1998/4 中译:2001/07/13 ImageTech®
Aster no 21

目录:

 
  矛盾的解释
化石起源的主要观点
障碍物和可能性条件
学生对于化石的概念
学生如何看化石作用
学生概念的可能来源

从词源上说, 化石自拉丁语fossilis,表明所有从地下挖出的石化动物的岩石和矿石; 这个词逐渐只用于生物遗留下来的石化物。

矛盾的解释
自古以来,人们就知道化石的存在,似乎从公元前7 世纪起, Thales Anaximandre为代表的希腊学校, 就在没有精确观察根据的基础上想象海的位移。公元前6世纪毕达哥拉斯人也有同样想法,但只是些想法, 之后由Ovide 在诗中提及。其它古代作者 (Herodote, Straton de Lampsaque 然后是Strabon) 明显地弄懂了化石的起源,但他们的想法被世人遗忘, 尽管有阿尔伯特.勒哥朗(1193-1280) 等一些科学家努力。实际上一直等到17世纪,化石性质才真实地被查明和到18世纪所以化石的起源才明确。早先, 化石的各种各样的、经常相互矛盾的解释被提出并且有时共同为人采用; 我们这里给出些从G. Gohau Ellenberger 著作中借用的例子。

Oeil.gif (620 octets) 这是一些古动物被矿化而变成了石头(根据Avicenne的观点)
Oeil.gif (620 octets) 吻化石(实际上被隔离的鲨鱼牙) 是在月蚀时从天上掉下来的(根据Pline)
Oeil.gif (620 octets) 货币虫(其实质到19世纪才知道) 被认为是修造大厦工人在石头上剩下的食物石化的结果,可以在这些石头上看到化石(建造埃及金字塔的时候)
Oeil.gif (620 octets)这是些因为罪孽太深而消失的物种(Bernard Palissy) 
Oeil.gif (620 octets) 这是些洪水之时撒播在地球上的壳。
Oeil.gif (620 octets) 这是些造物主失败古董的反映(甚至是撒旦的创作)

这些解释有的看上去异想天开,但由一些名人所表述,且其影响很大, 成为当代权威。如果这些想法现在让我们觉得可笑,因为我们觉得这些观点过分简单: 这些理论的可靠性似乎都很低。的确,今天在离海岸很远的地方检到海洋动物贝壳,被认为是显示大海远古运动并向外行公众解释的最令人信服的方式。

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化石起源的主要观点

从中世纪开始, 由其提出人坚持的有关化石的几个解释就在竞争。我们可以在Fracastoro (1517)的记录中找到这种争论的第一次爆发。

洪积解释
自古以来,洪水的神话在许多精神里是无所不在,它在圣经中的地位加强了它的影响。对神圣文字的尊敬, 认为科学上确切, 使得许多作者承认构成地球和生物历史的二个巨大阶段的当中一个的洪水的确存在, 另一个是造物主造物。根据这个概念, 对在内陆出现海洋动物壳,解释为洪水入侵的痕迹,根据《创世纪》,这次洪水淹没整个地球150天。

洪积解释, Ristoro d ' Arezzo 13 世纪提出, 很奇怪直到17 世纪末洪积论者大爆发之前追随者很少 。这个概念先遭到Leonard de Vinci ,然后是Bernard Palissy的反对, 但在16世纪却得到路德、接着是迪卡尔的积极支持,并在18世纪仍取得成功。下面我们可以看到,尽管洪水理论强加于人的时间短, 它还是阻碍了对沉淀岩石形成的理解。

自生论
为解释在在岩石中发现的贝壳与现今的贝壳之间的区别, 某些作者声称化石不是生物剩下的而是lapidate sui-generis 即自生矿物。在16世纪初期, 化石自生论取得了巨大成功;受新柏拉图哲学启发,它采用变化的术语表达,对其的研究显露出这个信仰的多个形式 。

Leonard de Vinci 根据含化石层数的精确观察击败了的这个观点。五十年后, Bernard Palissy 设法解释为什么不存在与这些贝壳相对应的现代同类时,提出"该种类消失丢了" 的想法(尔后被采取和谈论的精采直觉) 。由这些二位反对者采用的基于生物学公理的论据明显地不能够说服他们的同代人。长期以来这个自生论不仅应用于化石,而且还应用于水晶和生物。在17世纪间, 许多作者用自生论解释骨化石。

化石原位形成论在启蒙运动时代由Langius1708 年和Elie Bertrand1752 年重提, 这二位瑞士作者倾向于保留这个观点,但是有机物起源似乎是建立于Stenon的工作之上。这个例子表明,虽然地质学和古生物学发现似乎结束了关于化石意义的辩论, 但在一些学者的思想中仍在顽强抵抗。

大海古自然滞留说
自古以来, 人们认为贝壳出现在内陆是由于大海干枯,Leonard de Vinci, 代表许多古代作者的想法, 在寻求准确表述化石化机理时提出了一个相近的看法。Bernard Palissy 认可化石的有机物起源,但不承认海的移动, 他似乎拒绝这个想法(无容置疑由于对圣经的尊敬)

有关大海缓慢位移说的支持者在16世纪非常少。其贬抑者之一, Goropius声称, 这个学说与古人引证相违背,不能解释贝壳化石出现在最高的山上,因为对他来说海岸是不变的。化石的有机物特性只在后来才被认可,这需要等待二个世纪,化石起源的洪积说在大海位移说的断言前面后退。Voltaire 也拒绝用大海古自然滞留说来解释海洋动物化石出现在大陆上; 他在其名为“意大利信件”的文章中表明了他的异议,曾受到Buffon 的严厉批评。

与其它化石解释学说不同, 我们觉得最自然的解释让人接受也不是没有困难的。一些明显幼稚的解释, 现在已被人们抛弃, 可能部分由于其作者缺乏对化石一般意义理解的一些元素。为了构建化石的概念, 确实需要几个条件,下面我们将试图给出其定义。然而, 我们看见, 某些错误概念继续长期存在,而一些严肃的工作会去否定这些想法。这个报告以及其它报告表明, 知识的形成是复杂的,而科学的历史让我们认识到要使一些理论被接受,就必须越过一些障碍。

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障碍物和可能性条件
G.Bachelard的著作中提出的障碍物观点, 在Canguilhem关于几个生物学概念(激素、调节...)历史的著作中多次提及。在我们感兴趣的情况中, 科学的历史表示化石一般意义的建立需要越过某些观点的影响,而这些有时为权威观点。

另外, 科学的历史使我们找出通过支持新想法或被忘记的理论而使某些概念诞生成为可能的条件。关于化石的概念, 什么是标记其历史的障碍物和可能性条件?

地球年龄
当前采用的解释认为,化石形成经过了漫长的地质年代, 然而在许多世纪间,圣经记述的化石形成的短暂年代史观一直占主导地位。作为教父们的遗产,从文艺复兴时期起就强加于人, 圣经记述时期是围绕着人的,尽管很短,过去和未来,替换那些无休止循环的远古时代。根据圣经的断言,地质年代时间估计为6000年。后来读了“创世纪六天”,信徒们最终赞成将地质时间放在更长期间,但这个更长的年代史只是到18世纪末才被接受。

Buffon 是敢于偏离《创世纪》叙述的人之一,神学院为此给他麻烦。他小心翼翼地宣布75000年,而不是三百万年,这个猜想在当时仍不可想像。 至于Voltaire,他敢于将此提前几百万年,与其他人一起寻求击退短年代史说。天使影响的帮助,长年代史学说看上去不那么具有破坏性,至少比在欧洲到处表达的相似的观点要强。

长年代史说的胜利不间断地延续着,但它要求(或介入) 在人和宇宙之间关系的深刻变化,导致了对人类中心论的拒绝。地球知识的进展肯定有利于这种变换,某些现象(特别是侵蚀) 客观的解释只能求助于长期间学说。

生物世界生活和矿物王国的分离
在解释直到17世纪化石自生论施加的影响,F.Ellenberger 提出“对在矿物王国和生物世界之间存在分割疆界假设的否定”。此外, 适用于在地下发现的物体的术语主要根据其相似性(“箭石”意味其具有箭头形状) ,不区别真实化石与矿物世界其它东西。

在新柏拉图主义的影响之下,16世纪的作者欣然将化石形成归结为一种自然界创造力(vis plastica),如同植物和动物的产生。Cesalpino作出相反的假设,生物王国和矿物王国是二个不同的世界,他否定了化石自生论。Cesalpino 提出组织能力是生命的本质的公理,他没有能说服他的同代人,他们将化石看做为某个能够模仿生物的组织力量的杰作。

后来(1667-69),根据缜密观察,Stenon提出了化石的有机起源,为Cesalpino的高见提供理由。

地下层的含义
化石起源的问题与许多其它问题、特别是那沉淀岩石的形成是不可分割的。早在中世纪的科学就提出有关岩层形成大胆的说明理论,想象在侵蚀和海洋沉积作用之间存在一个联系,但复兴科时代的学者没有采取这些想法。Leonard de Vinci理解包含化石地层为水底,但他没有发表他的观点, 他的文章未被其同代人所知,也未被后代人所了解。

为了解释出现在山里岩石之内贝壳,Bernard Palissy 提出由雨水渗透带来的“泥火山积聚物质”的观点。的确在那时,地层意义仍未建立,化石起源问题被分开地考虑,想象化石的原处形成无疑更简单。另外我们知道化石自生论所得到的成功,Bernard Palissy仍然反对这种观点。

现代地质学的伟大创建者,Stenon在地球科学中引入了从化学和医学借用的术语stratumsedimentum。多亏他对流体内连续沉积的地层形成原理的理解和清晰的表述(1667) 。我们注意到Stenon对含沙黏土沉积的起源和不将沉积作用与侵蚀联系起来保持沉默。我们可以认为,作为洪积论即短年代史的支持者,他不可能提出要求长期间的过程。后来,另一个洪积论者,Woodward,重提Stenon的解释,认为洪水溶化了大量古地层,然后发生有序的地层再沉积。对于理解在沉淀岩石中化石起源,Stenon的贡献依然很重要,特别是, 依照年代次序的地层叠加原理,我们可以在对过去证物的观察的基础上重构地球的历史。

动物区系的不变性
动物区系的继承性今天已被科学家认可,被所有人或几乎所有人所接受。然而这个观点只是在相对近代才被人们所承认。

Bernard Palissy 认为,作为古老生物,榆树在当今没有同类,认为它们是因为罪孽太重而消失。既使它这些动物演化为现代人(涉及到菊石时这会使我们吃惊),这些化石也值得有合理地解释。“消失的物种”这个术语在17世纪由Hooke Leibniz采用,他们在这些生物和当前形式之间的联系方面提出了大胆的想法 。

现今的动物区系的时间继承性原则与宗教中唯一造物教条不相容,根据这个教条,所有物种按它们当前的形式同时出现。长期以来, 物种转化的观点,在教徒眼里是不可思议的,对教会来说不可接受。在18世纪,苏拉维教士第一个有胆量肯定在物种间存在演变关系,结果被压制而收回其观点。他的同代人则更谨慎,直到19世纪,Lamarck才与统治上一个世纪的造物论针锋相对地提出了演变学说。我们知道后来发生了什么: 达尔文的观点为人们所接受并经过其后继者的工作得到了发展,他们试图寻找生物演变的机制。

在寻找解释动物区系继承理论之前, 有必要接受这个原理,可以认为1617世纪博物馆学的兴起有利于这种思维变更。的确, 所收藏的丰富的化石让人们能够进行比较和找出从一个地层到另一个的动物区系的变化。

灾变说反对缓变论
短年代史说的支持者一般运用灾变、如大洪水来解释地层模型或一些远古动物区系的消失。可以肯定,Aristote Ovide 已经认为应该采用某些漫长的起因,但为了认识这种观点的价值,我们只能承认被信仰论者认为与圣经不相容的长年代史说。

相反,现实主义或缓变论假设, 过去的地球动力学现象由同现今起作用的相同的起因来解释, 除了由灾变论者提及的巨大变换之外。这种理论只是14世纪流行,当时Lyell的著作曾取得相当大的成功。

在现实论者和灾变论者之间的争吵已成为历史,但是应该承认,如果缓变论在目前成为地质学的一个基本原理, 古生物地层学的创立者却曾经是突变学说的支持者。

最后这个例子显示了知识构建历史的复杂性,不象人们提到进步时所倾向的那样,这条道路是曲折的。这篇短文并未对此详述,有必要指出的是,在真正地理解化石起源意义的过程中,存在其它障碍和可能情况。只是记住,它们具有不同的、概念的、神学的或思想的性质。

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学生对化石的概念

Oeil.gif (620 octets) 在一块钙质石头或岩石上由骨头、贝壳、动物骸骨留下的印记并保存了数百万年。
Oeil.gif (620 octets) 安置在岩石上的贝壳印记。
Oeil.gif (620 octets) 开掘岩石时发现的一块易碎的石头。
Oeil.gif (620 octets) 在石头上放置一只昆虫、一片树叶或一只海贝,因而变成这种样子。
Oeil.gif (620 octets) 几百万年前一只贝壳嵌入一块石头后留下的标记。
Oeil.gif (620 octets) 某个东西(贝壳、昆虫、骸骨、鱼)在岩石上呆了很长时间并在上面显露 。
Oeil.gif (620 octets) 一个在河边岩石标记(鱼、昆虫)
Oeil.gif (620 octets) 一块又软又硬的石头, 史前人将其修整用来做工具。
Oeil.gif (620 octets) 比如说, 一只鸟站在这个岩石上; 几年以后, 它被印在这块石头上。
Oeil.gif (620 octets) 某个物体(动物、鱼、昆虫、植被) 在这个岩石上保留了100 ; 其印记留在那里。
Oeil.gif (620 octets) 一个贝壳停留在一块潮湿岩石上很久, 当它离开后, 石头上保留它的踪影。

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学生们想象的化石化过程
对于大多数学生,会想象基本同样的情景。想象化石化过程的几个阶段(下例)
一个动物(植物很少这样)死去;一般是自然死亡或老死,很少意外死亡或由于陨石或火山爆发引起的死亡。

(CM2) 学生想象的化石化过程

Fossiles.gif (84643 octets)

它的身体(软性部分) 分解或被吃掉, 很少学生说它的皮分离( 不知道如何分离)
所剩下的(骨骼或更多的为贝壳一般) 插入在软物质、松土或由潮湿而变软的石头中。常常是嵌入一块坚硬石头中:或者动物跌倒在石头上、或是岩石砸在动物尸体上或动物被弹射到岩石上并击穿石头。这种穿透可以在水中完成或在岸上完成。有时动物或其遗骸只留下痕迹或经过的痕迹。对于某些学生,化石是考古学家取走动物遗骸后留下的痕迹。在预演时,很少学生谈及沉积层的隐藏物。
下部地层开始较软,硬化后,导致在岩石中发现化石。有时动物遗骸被石化。
在一次参观博物馆后,孩子们经常提起化石的挖掘:包含化石的岩石暴露出来,是因为水退潮或蒸发掉了。很少提到造山运动。

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学生概念的可能来源
正如Deunff Lameyre(1990,1995)所强调 , 在学生中产生的错误上升表明了对化石化过程更科学地理解中的困难。注意到,学生对问题的简单性认识,往往表现为想当然,因而阻碍他们的提问和知识的进一步深化。重提以上提到一些班级课堂上出现的错误:

Oeil.gif (620 octets) 灾变论会使某些学生想象到由于陨石冲击或火山引起爆发动物的死亡或变为化石;
Oeil.gif (620 octets) 选择动物作为例子的某种形式的偏向,以某个特定个体为例、以时序的形式向孩子们讲述化石的历史;
Oeil.gif (620 octets) 未掌握地质时间表: 孩子无法理解非常长期间、特别是理解不同地质时期的关系(没有从数学意义上掌握时间尺度概念是起因之一);
Oeil.gif (620 octets) 时间经常被认为是动物遗骸嵌入岩石中的起因之一;
Oeil.gif (620 octets) 不变主义论者的态度无疑与现象的相对漫长有关, 这构成对地质景物动态性的想象困难: 它就是为什么孩子们不认为会发生造山运动和侵蚀;
Oeil.gif (620 octets) 化学概念错误认识阻碍了对发酵型化学转换、碳酸钙盐的溶解或沉淀的认识;
Oeil.gif (620 octets)对沉积岩石的形态的无知阻碍了想象掩藏在沉积层之下的地质的想象。

为了设法更好地了解在概念的建立过程中的障碍,不同作者注重对该概念的形成历史建筑的分析。这个方法似乎对我们有用,我们将其应用于化石概念的情况。的确, 科学历史提出的分析可以帮助我们确定学生中存在的障碍的性质。

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