第1章
尋找身體裡面的那條魚
成年後，我的典型夏季生活寫照，是穿越過北極圈，置身於冰天雪地中，在懸崖上敲石塊。大部分的時候，除了受凍、起水泡外，我一事無成。運氣好的時候，我可能找到古代的魚類骨頭。對多數人來說，魚骨算不得是什麼珍寶；但對我來說，這可是比黃金還要珍貴。
我們是誰？我們為何長成這副模樣？對這些問題，古代的魚類骨頭或許能給我們點啟發。
我們可以從世界各地荒野之處所挖出的蟲魚化石，到所有現在還活著的生物的DNA，來了解我們的身體。但那不足以解釋，為什麼我相信古代動物的殘骸，而且還是魚的殘骸，能夠提供線索，讓我們了解人類身體的基本架構。
我們如何得以窺見數百萬年、甚至數十億年前，地球上發生的事呢？很不幸，目睹那一切的目擊者都不在了。事實上，過去大部分的時間中，地球上根本找不到有頭、有嘴、會說話的物種。更糟糕的是，以前曾存活的動物早已羽化成仙，牠們埋在地裡這麼久，屍體也大都消失了。
你稍微想一下：曾經活過的生物物種，99%已經滅絕了，其中只有極少數會變成化石留下來，而能被挖掘出來的化石更是少之又少。這麼一來，想由化石窺知我們的過去，似乎一開始就注定是機會渺茫了。
化石反映出我們的身世
在位於北緯80度附近的艾士米爾島（Ellesmere Island）上，我首次看到那條能揭露我們身體構造的化石魚。
那是一個飄著雪的七月天午後，我正在審視一塊三億七千五百萬年前的石頭。我與同事來到這個荒無人煙的地方，就是為了尋找從魚演變成陸生動物過程當中，那個扮演著重要角色的的化石。從石塊中露出來的是這條魚的唇部，這可不是條普通的魚，牠的頭是上下扁平的。當我們看到扁頭時，我們就知道碰上不尋常的東西了。如果我們能從懸崖中挖出更多這魚的骨頭，或許就能見到我們遠古祖先的頭骨、脖子、甚至四肢了。
一顆扁平的頭，究竟能告訴我什麼？能透露動物從大海進駐到陸地經過了哪些歷程呢？如果我考慮到個人的安全與舒適，為何不去夏威夷，卻跑去了北極？想回答這些問題，便得從如何找化石，到怎樣用化石來解讀我們的過去說起了。
化石是提供我們了解自身歷史的主要線索之一。（另外兩個是基因和胚胎，後面會討論到。）大部分人不知道，其實我們通常可以準確推測出化石的所在位置。我們先在家裡作業，將最有可能找到化石的地點標出來後，剩下的就靠運氣了。
美國總統艾森豪對戰爭的一句名言，可說把規畫與運氣之間的矛盾關係做了最佳的描述。他說：「在準備戰鬥時，我發現做好規畫是最基本的，然而計畫並不見得有用。」這話給田野古生物學做了極佳的注解。我們做了各式各樣的計畫，好讓我們去到可能藏有化石的地點。一旦到了該地之後，事先做好的計畫或許得全部拋開。礙於現實狀況，我們可能必須更改事前所做的最佳規畫。
我們會針對明確的科學問題，來設計探險之旅。應用一些下面將提到的簡單概念，我們可以預測哪裡會有重要的化石。當然我們的預測不會百分之百都成功，不過碰上的機率大到足以支持我們繼續如此做。
我的職業生涯就是這樣建立起來的：尋找早期的哺乳動物，來回答哺乳類起源的問題；尋找最早的青蛙，來回答青蛙起源的問題；尋找那些最初具有四肢的動物，來了解陸棲動物的起源；依此類推就是了。
基於多種因素，今天的田野古生物學家比以往更容易找到新的化石區。感謝地方政府、石油和天然氣公司對地質探勘的努力，我們對各處地質有更多的了解。而且透過網際網路，讓我們很快拿到地圖、探測資料、空照圖。甚至用我的筆記型電腦，我便可以查看你家後院是不是一處很有希望的潛在化石區。更妙的是，造影技術及放射照相儀可透視某些石頭，讓我們看到隱藏在裡面的骨骼。
撇開這些先進的設備和資料，在今天挖掘重要化石的過程，跟一百年前比較，其實沒什麼不同。古生物學家還是得趴在石頭上檢視，而埋在石頭內的化石還是得用手將它挖出來。在探查、移出化石的過程中，有許多決定步驟是無法自動化的。而且到現場挖掘化石，當然比在螢幕上尋找有趣多了。
這事雖聽來單純，倒有個癥結，那就是：化石區非常稀少。為了提高成功率，我們針對符合下列三項條件的地點進行搜尋：區內的岩石年齡必須是對的，岩石的種類必須是可以讓化石保存下來的，還有岩石必須露出地表。
此外，還有一項因素，那就是要具有隨時發掘寶藏的天賦。這一點我將以例子加以說明。
我們即將舉出的例子，是生命史中一個重大的轉變——登上陸地的魚類。地球形成後的最初數十億年，生物都是活在水裡面；不過，到了三億六千五百萬年前，已有生物在陸地上棲息了。
生活在這兩種環境中，有極大的差別。在水裡呼吸所需的器官，與在陸地上非常不同；同樣的，排泄、覓食、和四處移動，也都需要不一樣的器官。基本上，動物必須發展出全新的軀體，才能適應陸上的環境。乍看之下，這兩種環境的鴻溝似乎大到無法跨越。然而當我們檢視證據時，該變的真的都變了，而看來不可能的事也的確都發生了。
逛動物園，預測岩層中的化石
在尋找年代正確的岩石時，有個事實對我們很有利：藏有化石的岩層並不是隨機排列的。岩石座落何處、其內包藏何物，都是相當有規則的；我們可以利用這個特性，來設計挖掘計畫。
不同種類的岩石，經過數十億年的變遷，在地球上一層層的覆蓋著。有一個很容易求證的假設，那就是上層的岩石比下層的年輕。在岩石像蛋糕般一層層直接堆積起來的地區（例如大峽谷），這個假設通常是對的。然而當地殼變動產生斷層時，這個岩層順序會有所更動，有時候，較老的岩石會被擠到年輕的上面。幸好一旦確認出斷層的位置後，岩層的原始順序可以重新排定出來。
在岩層內的化石，也會依循年代順序排列，底層的物種與上層的可以完全不同。假使我們能夠找到一根涵蓋所有生命史的岩石長柱，我們便可以從其中找出包羅萬象的化石來。在最底層，我們看不到什麼有生命跡象的東西；再上一層，則會有許多不同樣式、類似水母的生物；往更高層，便會找到具有骨骼、附肢以及各種器官（像眼睛）的動物；在那些之上，第一個有脊椎的動物將會出現等等；而含有第一個人類化石的岩層，會位在所有這些岩層之上。
像這樣一根涵蓋地球全部歷史的石柱，當然是不存在的。確切的說，地球上每個區域的岩石都只代表一小片段的時間而已。要看到全部歷史，我們需要比較各個岩層和其內部的化石，然後就像拼圖一樣，把它們一塊塊拼湊起來才行。
石柱內含有一系列由簡而繁的化石種類，大概不至於令人感到訝異。較不為人知的是，在比較化石與其類似的現生動物之後，我們竟然能夠詳細預測出每一個岩層將會存在什麼樣的物種。這種比較得來的資料，有助於預測古老的岩層中將會出現什麼動物化石。事實上，把人類與動物園或水族館的動物做比較後，我們即能預測出，世界各地的岩層中化石出現的序列了。
逛動物園，怎能幫我們預測哪裡可以找到重要的化石呢？
動物園內，各式各樣的動物互不相同，就看你以何種角度來看。不過，讓我們不要專注在牠們的差異上。為了要從牠們身上找到可用來做預測的特徵，我們得專注在牠們之間有什麼共通之處。這樣我們便能依牠們的共同特徵，來將牠們分門別類。
所有物種都可以像俄羅斯套筒娃娃那樣來歸類，外面較大的娃娃包住裡面較小的娃娃，這樣一路下去。從歸類當中，我們就會發現自然界某種非常基本的特質。
譬如，動物園與水族館中的動物，基本上都有一顆頭和一雙眼睛，我們暫且把牠們稱做「凡物」。這些有頭有眼的動物中，有一部分動物有四肢，我們就叫牠們「有四肢的凡物」。這些有頭、眼及四肢的動物中，有一小群動物的頭腦超大、用兩隻腳走路、還會說話；這一小群動物其實就是我們人類。運用這個方法，我們當然可以將所有的生物分出更多小群，但是即使只分三層，這樣的分類便具有預測的能力了。
世界各地岩層內的化石，就經常可以這樣依序分列，而我們就用這特性，來設計新的化石勘測計畫。以上面的例子來看，第一個出現的「凡物」成員，也就是第一個有頭及兩隻眼睛的動物，在地質年代的紀錄會遠早於第一個「有腳的凡物」。更精確的說，第一條魚（身上別著「凡物」的名牌）出現的時間，會比第一隻兩棲類（一種「有腳的凡物」）還早。顯然我們可以用更多動物和更多的共通特徵，佐以牠們所處的岩石年代判定資料，加予細分。
在實驗室裡，我們正是對成千上萬的物種及其特徵，來做這種分析。我們檢視所有找得到的解剖特徵，有時加上長段的DNA資料來分析。由於資料太多，經常得依靠強大的電腦幫忙，以便分出大群裡的小群。這種分析的步驟是生物學的基礎，因為這可以使我們對於生物之間的親緣關係提出假說。
人類數百年來所蒐集的化石，除了幫助我們將生物分類外，也構成很大的地質年代紀錄，以及存活於各時期內的生物資料庫（或目錄）。如今，我們可以推斷出生物發生重大變異的約略年代。對哺乳動物的起源有興趣？那就去找中生代早期的岩石，地質化學告訴我們，那些岩石的年齡大概是二億一千萬年。對靈長類的起源有興趣？那就到上面一點的白堊紀岩層找，那裡的岩石距今約有八千萬年。
岩石內化石的順序提供了強有力的證據，說明我們與其他物種的關連。假如我們挖出六億年前的岩石，發現了最早的水母與土撥鼠的骨骸並列躺著，那麼我們可能得改寫教科書了。那隻土撥鼠的化石紀錄會比第一隻哺乳動物、爬蟲類、魚類，甚至第一隻蠕蟲還要早。更嚴重的是，那隻古老的土撥鼠化石將會指出，我們對地球的歷史及地球上的生命的認識都是錯的。幸好，自過去一百五十多年來，人們幾乎挖遍了地球上每一塊大陸上所有找得到的岩層，而上述那樣的觀察倒還沒發生過。
現在讓我們回到先前的問題：如何尋找第一條在陸地上行走的魚的親戚。依我們的分類體系，這物種應該介於「凡物」和「有腳的凡物」之間。根據這個推測，我們從已知的岩石資料，找到強力的地質證據，顯示這個重要的關鍵期，應是在距今三億八千萬年前到三億六千五百萬年前之間。那段時期的較年輕岩層中，也就是距今三億六千萬年前，蘊藏有多種動物的化石，看來像是兩棲類或爬蟲類。
我的同行，劍橋大學的克拉克（Jenny Clack)和其他一些人，從格陵蘭的三億六千五百萬年前的岩石中，找到了兩棲類的化石。那化石有脖子、耳朵、以及四條腿，看起來不像魚。但是從三億八千五百萬年前的岩石中，我們找到了整條魚的化石。它們有鰭、鱗片和圓錐形的頭，而且沒有脖子，怎麼看就是條魚。從這些發現，不難想像，要找到由魚過渡到陸生動物的證據，就得專注在三億七千五百萬年前的岩石。
尋找能保存化石的最佳岩石
有了年代目標後，我們等於在地質柱狀圖中確認出我們想要探勘的岩層。接下來的挑戰，則是要找到在該時期形成的某一類岩石，它的形成情況恰好適合保存化石。岩石會在各種不同環境下形成，而形成時的狀況會在岩層中留下明顯的痕跡。
我們所知的魚類，沒有一種能夠活在岩漿中，所以大多數的火山岩可以剔除掉。即便有這樣的魚，牠已經變成化石的骨頭也無法承受這類岩石在形成時的超高溫度，這類岩石包括了玄武岩、流紋岩、花崗岩，以及其他的火成岩。
此外，像片岩、大理石之類的變質岩，也可忽略，因為它們在最初形成以後，還得再經過超高溫或超高壓的洗禮，最終才變質成這類岩石。因此不管原先的石頭存有什麼化石，在歷經高溫高壓後，化石早就不復存在了。
保留化石的最佳岩石是沉積岩，例如：石灰岩、砂岩、粉砂岩和頁岩。與火山岩和變質岩相較，沉積岩的形成過程溫和多了，它包括了河流、湖泊或海洋的作用。不只是動物可能會活在這樣的環境裡，而且沉積的過程使得這些岩石適合保留化石。例如，漂流在海洋或湖泊中的顆粒，不斷沉澱，堆積在底部。經過一段時間後，沉積的顆粒會被上層新沉澱的顆粒所擠壓。這個逐漸擠壓的力量，配合岩石內部長期的化學作用，使得存在其中的骨骼有很高的機會形成化石。類似的過程，也會在河中或沿著河邊發生。一般而言，水流的速度愈緩，化石保留得也愈好。
地上的每塊石頭其實都隱含著一個故事，記述在它形成時周遭世界的狀態。石頭內部所記錄的是過去的氣候和環境，這些條件經常與現今迴異。有時候，這種差距真是大到無法想像。
就拿聖母峰這個極端的例子來看，在海拔八千公尺以上鄰近峰頂的地方，躺著古代海底的岩石。從著名的「希拉瑞之階」（Hillary Step）幾乎可眺望到的聖母峰北坡，你可找到貝殼化石。
同樣的，在我們工作的北極地區，冬季的氣溫可低到攝氏零下40度，然而在那裡的一些石頭中，卻藏有類似亞馬遜河流域的熱帶河口三角洲遺跡，像是那些只能活在溫暖、潮濕之處的植物和魚類的化石。
適應溫暖環境的生物化石，出現在今日海拔或緯度極高的地點，證明了地球的變化可以有多大：山起山落，氣候忽寒忽暖，連陸塊也會漂移。一旦我們掌握了地球漫長的時空變化，便能運用這些資訊，來設計新的化石挖掘遠征計畫。
現在，如果我們想了解四肢動物的起源，就應該把焦點定在大約三億七千五百萬年前到三億八千萬年前，於海裡、湖泊、或河流中形成的岩石。剔除掉火山岩和變質岩後，對哪些是值得一試的地點，輪廓就比較清晰了。
荒漠才是好地點
不過，若據此便要來設計長征計畫，那未免言之過早。如果這個年代正確、頗具希望的沉積岩深埋土裡，或是被草木、購物中心、市鎮所覆蓋，那對我們就不妙了，因為我們就只能盲目的挖掘。你可以想見，鑽口井來尋找化石，就有如用飛鏢去射掛在衣櫃門後的標靶，成功的機會是很渺茫的。
那種我們可以在上面走上好幾公里的岩床，以便找到因風化而露出來的骨頭，是尋找化石的最佳地點。化石骨頭通常比周遭的岩石來得硬，受侵蝕的速度較慢，因而得以從岩床表面露出來。因此，我們喜歡在岩床上步行，尋找那微露在外的骨頭，然後再進行挖掘。
所以規劃化石遠征計畫的竅門便是：找出年代、種類正確（沉積岩）且暴露在外的岩石，那樣就對了。理想的化石挖掘地點應該是僅有少許的土壤和植被的地方，而且很少遭到人類侵擾。難怪大多數的化石都是在荒漠裡發現的，例如戈壁沙漠、撒哈拉沙漠、美國猶他州，以及北極荒漠，如格陵蘭。
機緣巧合不可少
這些聽起來都很合邏輯，不過我們也不要忘了奇遇的機緣。事實上就是這種機緣，讓我的研究團隊踏上了探索我們體內這條魚之路。
我們第一個重要的發現不是在沙漠中發生的，而是在美國賓州中部的一條道路旁——找到露出化石的機會，很少有比這種地方還糟的。我們最後之所以會到那裡去，純粹是因為經費拮据的關係。
前往格陵蘭或撒哈拉沙漠，相當費錢耗時。相對的，進行本地的計畫不需要大筆研究經費，只需要油錢和過路費。對年輕的研究生或新進的大學教員，這方面的考慮是很重要的。
我到賓州開啟了職業生涯的第一個工作，誘因是那裡有個統稱為賓州喀士基層（Catskill Formation of Pennsylvania)的一組岩層。這岩層受到詳細研究，已超過一百五十年以上。它的年代很清楚，跨越了泥盆紀後期。除此之外，它的岩石極適合保存早期有附肢的動物和牠們的親戚。
為便於了解，你對於泥盆紀時期的賓州看來像什麼樣子，最好要有些概念。將你腦中關於現今賓州的費城、匹茲堡、或哈立斯堡的印象移除，換成亞馬遜河三角洲就是了。當時該州的東部有高地，一系列的河川由東往西流出這些高山，最終進入今日匹茲堡所在之處的一片大海內。
撇開城鎮、森林和農田覆蓋的因素，很難想像哪裡會有比賓州中部更好的環境去發掘化石。至於如何覓得暴露在外的岩層，那就得靠賓州運輸局決定到哪裡開條大路。賓州運輸局是用爆破的方式來建造高速公路的，爆破之後，岩石便露了出來。因為這種方式而顯露出來的岩石，狀況通常不是很好，但是我們有什麼就拿什麼。對低成本的科學來說，有多少錢，就只能買什麼樣的貨。
除此之外，我還有另外一種不一樣的好運道，那就是1993年，戴胥勒（Ted Daeshler）到我的實驗室來，在我的指導之下學習古生物學。這層合作關係，改變了我們倆人的一生。我們的個性迥然不同，卻搭配得完美無缺：我生性坐不住，老是想推進到下一個地點；戴胥勒則很有耐心，而且當他碰上好地點時，懂得停下來挖寶。
戴胥勒和我開始調查賓州的泥盆紀岩石，想從中尋找動物四肢起源的新證據。我們開著車子，幾乎逛遍了賓州東部所有因築路所挖開的缺口。出人意料的，剛開始不久，戴胥勒便找到了一塊奇特的肩胛骨。
我們把擁有這塊骨頭的動物命名為「海納螈」（Hynerpeton），這個名稱的原文是希臘文，意為「來自海納的小爬行動物」，海納（Hyner）是賓州離發現地最近的一個小鎮。海納螈有很強壯的肩膀，意味牠應該具有發達的四肢。但很不幸，我們沒找到這隻動物的全部骨骼。發掘地點的岩層暴露得相當有限，你應該猜得出為什麼？岩層全給植被、房舍和購物中心遮蓋住了。
看課本，決定前往北極
從岩石中發掘海納螈和一些其他的化石後，戴胥勒和我便對於沒有較好的裸露岩層感到不耐煩。假使我們全部的學術生涯就只能靠這些零零瑣瑣的化石碎片，那我們能探究的問題會很有限。所以我們便依照「教科書」的步驟，去尋找露出地表、年代與種類都正確、而且是位在荒漠的岩石。意思是說，要不是有地質學入門教科書，就不會有我們研究生涯中那個最重大的發現。
最初我們是想以美國的阿拉斯加和加拿大的育空（Yukon）地區為標的，來規畫我們未來的挖掘之旅，這是因為其他研究團隊曾在那些地方獲得重大的發現。結果，戴胥勒和我為了一些地質學上的專業見解起了爭辯，在辯興正隆時，我們之中有人從桌上拿起那本帶來幸運的地質學教科書。
就在翻閱教科書，查證誰才是對的時候，我們看到了一張圖。這張圖讓我們不得不屏住氣息，因為所有我們要找的東西，上面全都標示出來了。
於是我們停止了爭辯，開始計畫我們新的挖掘之旅。
基於之前從地質年代較年輕的岩石所做的發現，我們相信，遠古時代的淡水河流會是我們最佳的著手點。這張圖標示了泥盆紀時期三處淡水地區的岩石，且每一處都有河口三角洲。
第一個地點是格陵蘭的東岸沿海地區，這就是克拉克發現那隻有腳、且是已知最早期四足類之一的動物的棲息地。再來是我們從事挖掘的北美東部，也就是海納螈的家。而第三個地點則是位於加拿大北極地區，橫跨東西的那塊廣大區域。極地裡沒有樹木、泥土和城市，因而年代和型態都正確的岩石，裸露在外的機會非常大。
加拿大極地岩石裸露在外的事，相當出名，特別是對曾勘查過那裡的地質學家和古植物學家而言。加拿大的地質學家顏柏利（Ashton Embry）率領團隊在這方面做了許多研究。地質學教科書寫道：顏柏利曾描述過，就許多面向來看，加拿大泥盆紀的岩石，其地質與賓州是一致的。
讀到這句話時，戴胥勒和我就已迫不及待想整裝出發了。我們從賓州高速公路旁所學到的東西，對我們在加拿大極區的工作一定有幫助。
更值得一提的是，北極岩石的地質年代，比格陵蘭和賓州的化石層還要老。因此這地區的岩石完全符合我們所要的三項條件：年代、種類和暴露情況。而附帶的好消息是，研究脊椎動物的古生物學者並不知道這個地方，因此那裡的化石尚未有人挖掘過。
我們面臨的新挑戰，與在賓州完全不同。
在賓州高速公路兩旁挖掘化石時，我們是冒著被呼嘯而過的汽車輾斃的危險；在北極，我們將冒著遭北極熊啃食、食物匱乏和遭惡劣氣候所困的危險。
我們再也不能夠隨便帶個三明治上車，一路便開到化石層區去。現在，我們得花上八天的時間，來計畫到了野外後的每天行程作息，因為到極地的岩區只能搭飛機去，而且離該地最近的城市遠在四百公里之外。我們只能攜帶足夠團員使用的食物和補給品，頂多再加上少許的安全儲備量。最重要的是，飛機有嚴格的載重限制，這表示我們挖掘到的化石，也只能攜出一小部分。
將這些限制，與每年僅有一段極短的時間能在極地工作的因素湊在一起，你便能想見，我們即將面臨令人畏懼的全新考驗。
我當研究生時的指導教授，哈佛大學的甄金斯（Farish A. Jenkins, Jr.）博士也加入了我們的團隊。他曾率隊到格陵蘭多年，擁有推動我們計畫所需的豐富經驗。就這樣，我們的團隊形成了。其中包括了我們師徒三代：我之前的研究生戴胥勒、我的指導教授甄金斯、和我自己；我們將進軍北極，試圖發掘出由魚轉變成陸生動物的證據。
（未完……想知道他們如何挖到最早登上陸地的魚類化石之一，請繼續參閱本書第1章）
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