碳

在所有元素中，碳似乎是生命最不可缺少的一种元素——在任何星球上，都难以想象缺少这种元素的生命。这是因为碳神通广大、能力非凡，可以形成链、环和其他复杂的分子架构。它通过光合作用进入食物网；光合作用是绿色植物吸收大气中的二氧化碳分子，并用太阳能使碳原子与水结合制造糖类的过程。我们自身和所有其他生物里的碳，归根到底是经由植物来自大气中的二氧化碳。当我们呼吸、排泄，甚至当我们死亡的时候，碳又不断地反向循环，重新回到大气中。

大气二氧化碳中的碳，大部分是碳-12，它不具有放射性。然而，一万亿颗碳原子中大概有一个是碳-14，它具有放射性。碳-14的半衰期是5730年，像已经证实的那样，它迅速衰变成氮-14。植物的生化过程对这两种碳的差别视而不见。对于一株植物，碳就是碳。因此，植物吸收碳-12时，也同样吸收碳-14，并且在糖中包含了两种碳原子，并保有与它们在大气中存在时同样的比例。从大气中吸收的碳（包括同样比例的碳-14原子）迅速（相对于碳-14的半衰期）通过食物链传播，依照植物被食草动物所食，食草动物被食肉动物所食的食物链，依此类推。所有生物，无论植物还是动物，都有近似相同的碳-12与碳-14的比例，与你在大气中所发现的比例相同。

那么，时钟什么时候归零？在生物（无论植物还是动物）死亡的时候——当它从食物链脱离，与通过植物得自大气的新鲜碳-14流分开时。随着世纪更替，在生物尸体、木块或布中（或任何事物之中）的碳-14，都稳定地衰变成氮-14。因此，样本中的碳-14相对于碳-12的比例越降越低，低于活生物和大气所共有的标准比例。最终，它们都会变成碳-12，或更严格地说，碳-14的含量微小到无法测量。而碳-12与碳-14的比例可以用来计算已经流逝的时间——自从生物的死亡使它脱离了生物链，不再与大气发生交换以来经历的时间。

好倒是好，但是只有大气中的碳-14得到源源不断的补充，这个方法才会奏效。若非如此，半衰期短的碳-14很早以前就在地球上消失了，就像其他所有半衰期短的天然同位素一样。碳-14是特例，因为宇宙射线轰击上层大气中的氮原子，可以不断地产生碳-14。氮气是大气中最主要的成分，氮的质量数是14，和碳-14一样。区别在于碳-14有6个质子和8个中子，而氮-14有7个质子和7个中子（记住，中子的质量几乎等于质子的质量）。宇宙射线粒子可以击中一个氮原子核的一个质子，而把它转化成中子。这时，氮原子就变成了碳-14，在元素周期表中，碳是比氮低一位的元素。从一个世纪到另一个世纪，这种转换发生的速率几乎是常数，这就是碳定年法奏效的原因。事实上，这一速率并不是完全恒定的，为准确起见，我们要对此作出校正。幸运的是我们有一个大气中碳-14波动供应的精确的校正，把这个考虑进去，可以优化我们的年代测算。前面讲到，在与碳测定年代覆盖的年龄范围大致相同时，我们有一个替代方法可测定木材的年代——树木年代学，它完全可以精确到最接近的年份。把碳-14定年法测定的木材样本的年龄，和树木年轮定年法所独立确定的木材样本年龄相比，我们就可以校正碳-14定年法的涨落误差。然后，我们可以使用这些已校准的测量方法，追溯我们的没有年轮数据的有机样本（大多数样品都没有年轮）。

碳定年法是一个相对现代的发明，是晚至1940年代才发明的。在这项技术的早期，年代测定过程需要大量的有机材料。到1970年代，碳测定年代采用了质谱分析法技术，因此现在我们只需要少量的有机材料。这带来了考古定年方面的革命。最著名的例子是都灵裹尸布（Shroud of Turin）。因为这块大名鼎鼎的布似乎很神秘，上面有一个蓄胡须的、钉死在十字架上的人的痕迹，很多人认为它可能来自耶稣时代。据历史记录，它第一次出现在14世纪中期的法国，此前没有人知道它在哪里。自从1578年起它就被收藏在都灵，1983年起由梵蒂冈保管。当质谱法使测定一个微小的裹尸布样本成为可能，而不是像以前那样需要大量的布，梵蒂冈允许切去一小块布。布块被分成三个部分，分送到三个专门从事碳年代测定的主要实验室，分别位于牛津大学、亚利桑那大学和苏黎世大学。这三个实验室在严格独立的条件下工作——不交换意见——然后报告了他们对编织这块布的亚麻材料“死亡”年代的判定。牛津大学报告的是公元1200年，亚利桑那大学报告的是公元1304年，苏黎世大学报告的是公元1274年。这些数据都在正常误差范围之内，彼此并不冲突，并且在时间上，与历史上第一次提到裹尸布的时间1350年相对应。裹尸布的年代测定仍存有争议，但不是由于对碳定年法技术本身的怀疑。例如，裹尸布中的碳可能被一场火所污染，众所周知这发生在1532年。我不会再深入追究这个问题，因为裹尸布的话题属于历史范畴，而不是进化范畴。然而，这是一个很好的说明方法和事实的例子。事实是：碳定年法不像树木年代学能精确到最近的年份，它只能精确到最近的一个世纪。

我已经再三强调，现代的进化侦测，有大量不同的“时钟”可以使用，并且它们各自擅长测定不同长度的，但又有重叠的时间尺度。鉴于一块岩石固化时，其中所有的时钟都是同时清零的，那么可以用各种放射性时钟对这块石头的年龄进行独立的估测。估测之后，把结果进行对比，发现不同的时钟得出了一致的结果（在预期误差范围内）。这就给时钟的准确性以极大的可信度。因此在已知的时钟岩石上互相校准和核查后的时钟，就能可信地用于测定我们感兴趣的事物的年代，例如地球本身的年龄。目前认定的年龄46亿年是几个不同时钟的趋同的估计。这样的一致性并不令人意外，可惜我们还是要一再强调这一点，因为令人惊讶的是，正如我在引言和附录中所指出的——约四成的美国人（和较少比例的英国人）声称他们认为地球的年龄不但要远远小于所测量的数十亿年，而且少于一万年。可叹的是，特别是在美国和大多数伊斯兰国家，其中的一些“历史否认者”手中握有权力，可影响学校及其教学大纲。

历史否认者会说钾氩时钟是有问题的。钾-40现在是以极其缓慢的速度衰变，但假使诺亚洪水以前并非如此，情况将会怎样呢？在那之前，如果钾-40的半衰期根本不同，不是12.6亿年，而是比如只有几百年呢？对这种断言的专门反驳非常精彩。物理法则，究竟凭什么、为什么要发生如此庞大且如此“方便、顺手”的变化？特别是，当你必须向每一个单独的时钟提出“非分的要求”，进行共同的调整，这种变化就更加离奇了。目前，可适用的同位素全都彼此协调一致地认为地球起源于40亿～50亿年前。得出这样的结果所基于的认定是“它们的半衰期一直保持不变，同我们今天测出的一样”——已知的物理规律的确强调了它们应该如此。历史否认者将不得不以其各自的比例，篡改所有同位素的半衰期，才能造出同位素们全都认可“地球起源于6000年前”的效果。这就是我所说的“非分的要求”！而且我还没提及产生同样结果的“其他各种年代测定方法”，例如“裂变轨迹定年法”。鉴于不同时钟在时间尺度上有巨大差异，请想一想——要对物理法则进行多么重大的刻意改造和复杂诡辩，才能让所有的时钟彼此协调，横跨多个数量级，来证明地球的年龄是6000年而不是46亿年！考虑到进行这种诡辩的唯一动机，只是想支持青铜器时代一个特定的沙漠部落的起源神话，至少可以说——居然有人被此愚弄，真令人讶异。

另外还有一种类型的进化时钟——分子时钟，但我要把它放在第十章讨论，在此之前，我们要先介绍一些分子遗传学知识。