地球全史：46億年的奇蹟

給中文讀者

本書是從世界各地精選的100幀照片編纂而成，目的是希望藉由這些照片概觀地球46億的歷史。
其中，我在台灣這個最能看見新時代劇烈變動的地區，選擇了兩個地點。一是太魯閣國家公園中，自1000公尺以上的山崖直墜入海的清水斷崖；以及台中市大甲溪谷於1999年集集地震中出現、落差高達7公尺的瀑布。當這些光景映現在眼前時，很容易切實感受到，雖然數百萬年在地球46億年的歷史中只是短暫的一瞬，但卻能造就3000公尺級大山脈的事實。
世界上有許多像是北美洲東部和澳洲西部的地區，稱之為安定地塊，幾億年都不曾有過地震。在那些地區，即使馳騁數百公里，仍是一望無際，因而我才發現它們缺乏大自然的恩賜。所以說，雖然一提到地震，我們總是立刻連想到災難。但我們也不能忘記，正是因為地震造成的變動積累，才為台灣或日本帶來豐富的自然資源。
我為了收集資料，去過台灣兩次。在其他國家行動時，大多是利用租車，但是在台灣，可以從台北搭電車、公車、計程車到達目的地，舒適而順利的進行攝影。除了豐富的大自然之外，這也都是台灣良好的治安、民眾親切的協助所賜。透過本書的繁體中文版，若能成為更多人認識這個美麗星球──地球的入門磚，便是筆者最大的喜悅。
2014年1月　白尾元理

前言

回首地球科學的歷史，大概沒有一個時期像1950年到2000這50年進步得如此神速吧。
1950年代，利用放射衰變原理進行年代測定，我們知道了地球的年齡是46億年。1960年代，出現了能統一說明地球表面變動的理論體系「板塊構造說」，終於解開從前謎樣的地質現象。到了1970年代，經由研究阿波羅計畫帶回來的月球岩石、撞擊實驗、模擬等，大致明白了地球初創期6億年間的樣貌。1980年代，利用和拍攝人體內部的Ｘ光ＣＴ同樣原理，將透視地球深處的「地震波斷層攝影」實用化，在地函內部拍攝隱沒到巨大熱柱和海溝中的板塊殘骸，誕生了新的地球觀「熱柱構造說」。而1990年代，科學家們再度批判、修正之前的成果，呈現出更接近真實的地球歷史。
正是在那個時候，我興起製作一部縱觀地球全史46億年的攝影集的想法。最先著手的地點是美國。美國的地質經過詳細研究，成果也都發表在許多地質指南書中。我利用租用車和小型飛機自由來去，經過幾年完成了拍攝工作。接下來的目標是近代地質學發祥地──歐洲。這裡地質指南書雖然不像美國那麼豐富，但多少也是有的，憑藉著從地質學家朋友收集來的資訊，好不容易完成了拍攝。
但是，當我按時代排列出10年來拍攝的照片一看，才發現其中並沒有前寒武紀時代的照片。這段時代從40億年前到5億年前，占有地球歷史的八成，十分重要。如果少了前寒武紀時代的照片，就談不上是地球全史了。因此有段時間工作停滯不前。
這時我想到了一個人，他就是多年研究前寒武紀時代地質的專家──九州大學的清川昌一教授。清川教授可以說是現今日本已經絕種的野外地質家。他的休旅車上塞滿調查用具，隨時可紮營生活1個月以上，繼而提出研究成果。
配合他田野調查的時期，我請他帶領我前往澳洲西北部皮爾巴拉地區。皮爾巴拉保存著35～25億年前的地層，是地球上極稀有的地區。在那裡我看到燧石、枕狀熔岩、疊層石、條狀鐵層等地形，令人吃驚的是那些岩石都還很新鮮。日本最古老的地層約在4億年前，由於被斷層截斷，而且風化嚴重，所以只能勉強作為專家研究的對象，無法進行拍攝。而皮爾巴拉的地層比日本老近十倍，卻有如日本新生代地層般條理清晰，地層的連續性極佳。這樣一來，前寒武紀時代的攝影終於有了著落。
2006年，我請清川先生幫忙，繼續以前寒武紀時代的地層為主題，一同前往南非、加拿大、中國、歐洲、台灣、埃及等地拍攝。清川教授會站在主題的地層前，說明它的意義，而我有時會提出反駁，而他再加說明，我才終於理解。拍攝地質的重點之一，必須尋出足以讓一般人感到魅力的露頭才行，若只是了解地層意義是不夠的。我們常針對一個主題，在多個露頭間流連，直到找到最理想的露頭，才能完成一張照片。這項共同作業雖然困難，但也相當充實。再加上我也獨自繼續採訪，在2011年10月才結束最後的攝影。
美國國家公園的解說牌上經常會寫「Stories behind scenery」幾個字。指的是岩石、地形背後隱藏的故事吧。本書準備了100張訴說地球46億年故事的照片，請各位從照片中來了解從地球形成稍早之前開始的故事。
2011年12月　月全蝕之夜　白尾元理

後記／清川昌一

5年前，白尾元理先生向我提出一個構想：「能不能一起做一部像NHK地球大紀行那樣壯闊的地球史攝影集呢？」之前，我與在國立科學博物館時的恩師齋藤靖二教授，曾合作過一本《圖說　日本列島20億年》（岩波書店），當時負責攝影的人就是白尾先生。
地質學研究的重點，在於如何取得野外現場（露頭）調查地的地層、岩石所留下的地質訊息，並且傳達出來，而現場的照片就是當下的重要證據。我聽說白尾先生旅行世界40國，一直堅持著地質露頭的拍攝。一方面可親眼目睹地球史重要露頭，同時也是個向專業攝影家學習攝影技術的機會，而且正好我也在製作「超地球史年表」（日本地質學會），所以我便立刻答應參加這項大企畫。
本書製作的意義，是想告訴讀者「從記錄在地球上的種種痕跡，學習地球整個歷史」的意義。世界各地刻劃著地球歷史的露頭，美得令人驚嘆。想必那些地層或岩石的美麗紋路和形態，都打動了你的心吧。但是，當你欣賞著古羅馬的遺跡時，若沒有學習過世界史，就無法瞭解它的背景和存在意義，同樣的，有很多意義，必須先瞭解地球史才能懂。尤其在這個屢屢讓我們見識到自然災害之威力的時代，更應該走出門好好觀察地球，體驗大自然力量和歷史如何被記錄下來。本書若能對此稍有助益，則不勝榮幸。
白尾先生從大學時在地質學系，到畢業進入研究所碩士課程，一直在研究火山。伊豆大島三原山的爆發讓他決定成為一個地質攝影家。多年來，一直在世界各地拍攝地質照片。地層、岩石中隱藏的地球史科學證據，以及該露頭在什麼位置，要用一張照片來說明是十分困難的。但白尾先生的作品卻能將兩者展現無遺。
為了這次企畫，我與白尾先生出外攝影旅行八次。我既是嚮導也是司機，更是廚師。我們合計共走了3萬公里吧。在歐洲，我們縱走德國～法國到義大利（包含西西里島），在澳洲，在路途中不時與袋鼠相撞，在加拿大紐芬蘭島，我們徘徊在濃霧中。而在非洲，我們仰望著滿天星斗，一邊拍攝。
我第一次出國，是讀大學時到台灣作地質長期巡檢。在台灣太魯閣溪谷，我看到超出預期的景象，令我成了地質學的俘虜。在年少時看見真正令人震懾的露頭，人生也隨之改變。
目前，我來舊金山參加國際地球物理學聯盟（AGU）學會，這個世界最大的地球科學學會，每年超過2萬人參加，在此發表最尖端的研究。而我認為在科技不斷進化的現在，若能回到地球經歷過、留下痕跡的露頭「現場」，掌握地球行徑的現在進行式，才是了解下一世代、未來地球的捷徑。
編著本書的過程中，得到許多人士的幫助。齋藤靖二教授從企畫的階段一再就地球史上給予指導，平朝彥教授在我讀書時的教誨「從地球史的觀點看待全球的地質學」為我們企劃增添勇氣。岐阜大學川上紳一教授讀過原稿後，也提出有益的指教。
最後，我要感謝體諒我長期出差在外、安慰鼓勵我的妻子、女兒，以及支持我走上研究這條漫長道路的父母。我要致上最深的感謝。

第5章
三疊紀─侏羅紀（中生代前期）
在中生代，逃過古生代末期大滅絕的生物，適應超大陸的分裂、氧濃度遽變等種種環境的變化，完成了驚人的進化。
史上最大生物恐龍則成為地球的主宰。
中生代可能是人們最熟知的地質時代，因為它是絕種的巨大生物──恐龍在地球上昂首闊步的時代。這種地球史上最大生物所誕生的中生代，環境已與古生代有了截然不同的改變。
古生代末的P-T界線大滅絕後，盤古大陸分裂。原來趨於寒冷的地球漸漸走向溫暖化的道路。古生代後期樹木生長繁盛，氧濃度高，但中生代卻一反前期，氧含量變得非常少。剛滅絕之後的三疊紀，是個動物懂得有效使用少量氧的時代，侏羅紀則是恐龍進化的時代。
本章將以１）超大陸的分裂，２）低氧環境，３）新的身體構造，４）世界最大的砂丘群，５）侏羅紀的生物等關鍵字來介紹。

１）超大陸的分裂
三疊紀末期開始分裂的盤古超大陸，岩漿從太厚的大陸地底上升，形成切割大陸的熱柱（岩漿的上升口）。點狀分布的熱柱裂縫南北連成一線，盤古形成了細長的窪地。這個窪地就是大西洋的原型。
以大規格來看現在面對大西洋的南北美洲和非洲大陸海岸線，會發現它不斷形成「ㄑ字形」。兩個大陸在凹凸的位置非常吻合，所以韋格納認為這些大陸過去是連接在一起的，並且提出大陸移動說的理論。這個「ㄑ字形」曲折的部分，正是顯示熱柱活動造成大陸切割的重要痕跡。
大陸剛剛分裂開時的樣子，近似乾涸水田表面形成的龜裂。它必定裂向三個方向，裂縫之間的角度基本上是120度。
實際的大陸分裂上，三條裂縫中一旦有兩條快速擴大，剩下的一條便無法張裂，遺留下來的裂縫叫做坳拉谷（圖5-1）。坳拉谷形成了深谷，大量土石從周圍流入沉積。這種沉積了厚沉積物的坳拉谷，在非洲赤道下方的尼日、美國奧克拉荷馬州都十分發達。
此外，美國東海岸沿線也零星分布了紐華克盆地和哈特福盆地等坳拉谷。陸生層的紅色砂岩和頁岩廣布。以前該地是濕地，來此飲水的恐龍在濕泥地來回留下清晰的足跡。

２）低氧環境
三疊紀初期的2億4500萬～2億4000萬年前的500萬年間，氧濃度很低，推測只有10～15%。雖然後來漸漸升高，但還是未能達到現在的標準（21%）。
像這樣的低氧環境對海中生物會造成什麼影響呢？
古生代繁榮的腕足類（有兩片殼的無脊椎動物）滅亡，貝殼薄而小的雙殼類（如海燕蛤屬、髻蛤屬）在海底繁盛擴展。這種貝類無法移動，在含氧少的海底與甲烷生成菌共生來獲得能量。此外出現多種類的魚，在古生代時逃過滅種的菊石類出現新種，大為繁盛。珊瑚類中床板珊瑚和角珊瑚形成的四射珊瑚消失蹤影，形成珊瑚礁的是六射珊瑚。
這個時代氣候炎熱，動物體內代謝加快，應該較具活動力，然而環境的低氧，使它們陷於無法動彈的困境。為了克服這種窒息的狀況，有些爬蟲類回到海中。以在低氧狀態下能生存條件來說，海中食物豐富顯得較易生存。於是，在三疊紀後期出現了原始的魚龍或蛇頸龍。
把目光移往陸地。在這個時代裸子植物繁茂，環境濕潤。亞歷桑那州東部的石化森林（Petrified Forest）保留了一整片形成硅化木的巨大森林化石。這樣的低氧時代，對光合作用的植物也許是個樂園，但對陸上的動物卻是非常嚴酷的時代。不過陸上動物利用各種方法來適應低氧環境，進化下去。

３）新的身體構造
生物體配合環境產生變化，我們叫做身體構造（Body Plan）。經歷P-T界線大滅絕的三疊紀，也是個打造適應低氧身體構造的宏偉實驗場。很多陸地動物都因為大滅絕而消失，因此這段時期試驗了很多新方式來淘汰物種。其結果便是陸地動物快速進化，這叫做「三疊紀爆發」（圖5-2）。
這個時期中，試驗了各式各樣的走路方法和呼吸法。三疊紀中期的陸地動物無法活潑移動，大多是躺著。當時氧濃度依然偏低，標高0公尺和現在標高4000公尺高地的含氧量一樣稀薄。
以陸上呼吸的例子來說，若像兩棲類般四腳側向張開，行走時就必須彎曲身體才能前進。這樣的動作會壓迫肺部，妨礙呼吸。為了克服這個困難、保持呼吸通暢，腳部朝下呈站立姿勢較好。因為腳部朝下，胸部就有膨脹肺的空間，走路時也能有效的呼吸。三疊紀中期出現的恐龍剛開始呈四腳站立姿勢，不久後便進化成兩腳站立行走，轉變為使用橫隔膜的強力呼吸系統。
氧濃度的變化也為呼吸系統帶來極大的變化。心臟形態分成三室心臟和四室心臟。主要的兩棲類和爬蟲類都為三室心臟，主要的鳥類和哺乳類具有四室心臟。四室的話，靜脈血和動脈血不會混合，運送氧到血液的能力較高。三室漸進為四室，一般認為是一種為促進動物血壓上升，或是保持高代謝活性的進化。
其次再考慮到肺的構造。鶴可以飛越標高8000公尺的喜馬拉雅山脈。具有這種能力，是因為鳥類具有一種呼吸系統叫「氣囊」。氣囊是袋狀的氣管，連接肺的前後，鳥類的呼吸就是靠氣囊的膨脹、收縮，來進行肺內空氣的吸放。
相對的，哺乳類動物的肺，是肺自己膨脹、收縮來吸氣和排氣。但這種方式無法完全排出肺中交換完畢殘餘的空氣，舊空氣沒排完便吸入新空氣，所以空氣的交換率並不好。鳥的氣囊系統卻可完全吸放空氣，空氣交換效率比哺乳類高。鶴能飛越喜馬拉雅山應歸功於這種氣囊系統。
恐龍是鳥類的祖先，而從脊椎化石的構造中發現，其中龍盤類也具有氣囊系統。事實上，在氧濃度急遽降低的二疊紀後期到三疊紀前期，部分恐龍的祖先很有可能已獲得四室心臟和氣囊系統。
三疊紀因盤古大陸分裂，水岸變多，棲息場所的選擇也增加，因此生物的多樣化更加活躍。但是三疊紀到侏羅紀的界線時，發生了五大滅絕之一。這次大滅絕的原因出在三疊紀末氧濃度降到最低（12%）。攜帶氣囊系統的恐龍（龍盤類）克服了這段低氧時代，變得更多樣化，因而能在侏羅紀開枝散葉。