本
文
摘
要
生活中，我们常常会在博物馆看到形态各异的化石：
上海自然博物馆的化石
但是，除了过过眼瘾，你真的了解它们吗？
化石是什么？
化石是指保存在岩石中的远古（一般指一万年以前）生物的遗体、遗迹和死亡后分解的有机物分子。
遗迹化石|图源：pixabay
化石有多种类型，最多最常见的是实体化石，比如大家最熟悉的恐龙骨骼化石；还有一种是遗迹化石，是指生物在活体的时候发生行为的一种印迹，比如恐龙蛋，恐龙脚印，恐龙排泄物，以及觅食痕迹等；另外还有模铸化石，分子化石，和琥珀化石等类型。
化石传奇在哪里？
地球已有46亿年的历史，生命的演化史也有将近40亿年，在地球漫长的演化过程当中，曾经出现过难以数计的生命现象。科学家都是怎样揭秘遥远过去的生命现象的？
图源：《地球生命的起源和进化 》
当然是通过化石！那么，化石中隐藏着哪些远古时期的秘密？
书写地球历史的“文字”
如果把地球历史看做一部编年史书的话，不同地质年代的岩层则可以作为地球的 “书页”，而化石就是书中提供关键信息的“文字”。地球生物的演化历史就埋藏在岩层中，年代越久远的生物化石就保存在岩层的最底层。
地球演变历史就像一本书|图源：冯伟民
生物界经历了从简单到复杂，从单细胞到多细胞的发展阶段。这种不可逆的生物发展演化过程，大都以化石的形式记录在从老到新的地层中。因此，化石在地层中的分布序列清楚地记述了自有化石记录以来的地球发展历史。
地球历史的“时光机”
化石像一个“时光指示器”，清楚地揭示了生命进化的规律，即生命从无到有、从海洋进化到陆地，再向空中呈现立体全方位的演化。
以5.4亿年为界限，可以把地球生命史分为两大阶段。这个时间点之前统称为前寒武纪，这个阶段涉及三大生命的起源，原核生物、真核生物起源、多细胞生物起源及早期演化。
在前寒武纪阶段，生命现象主要是微生物主导的。这一时期有两次重要的事件就是大氧化事件，第一次大氧化事件将原来缺氧的地球转变成有氧的地球。大氧化作用的发生跟蓝藻（蓝细菌）大繁盛有很大的关系。
蓝藻（蓝细菌)|图源：sohu
渐渐地，大气中充满氧气，有氧环境就此形成，导致了生物界一些革命性事件：真核生物的真核细胞出现，真核细胞进一步发展成多细胞，完成有氧环境下形成的生物演化。
地球舞台上的“模特”
地球就像一个无比巨大的舞台，每个地质历史时期都会产生不同特征的生物类型，演绎着你方唱罢我登场的历史剧。这些登台亮相的生物就像当今T型台上的“模特”，展示了自古以来一批又一批的生物造型。
地球历史上的“模特”告诉我们：生物形态是从不规则、不定型、不对称到辐射对称再到两侧对称，两侧对称又衍生出各种各样的类型，如软体动物两侧对称，节肢动物两侧对称，昆虫两侧对称，鱼类两侧对称等。
上海自然博物馆内两侧对称的三叶虫|图源：王晓丹
地球板块的“拼图师”
如今分隔大洋两侧的化石，在远古时代可能曾经生活在同一块大陆上。古生物化石为大陆漂移假说提供了直接而有力的证据，可以帮助再造远古时代的大陆板块。
化石证明了冈瓦纳古陆的存在|图源：冯伟民
动植物化石见证着超级大陆。比如：舌羊齿类植物广布于南美洲、非洲、南极洲、澳大利亚和印度的石炭纪—二叠纪地层中；淡水爬行动物中龙产于南美和非洲早二叠世地层；非海相动物水龙兽主要分布于冈瓦纳大陆，也见于我国新疆和包括俄罗斯乌拉尔在内的东欧等其他陆块的二叠纪末—早三叠世地层中。
恐龙化石多样性证明了大陆漂移。恐龙是中生代陆上霸主，从侏罗纪到白垩纪恐龙多样性不断发展，至白垩纪恐龙多样性达到了顶峰，这与大陆板块从侏罗纪开始不断分离，至白垩纪形成当今大陆分布格局雏形的时间段相符合。
生物大灭绝的“记录者”
生物的灭绝与新生是生命演化中的自然现象，几乎每时每刻都在发生。统计数据表明，地球上的生物以平均每一百万年2-5个科的速率在灭绝。
地球上曾存活过10亿至40亿种动、植物和菌类，其中97%以上已经灭绝。在整个生命历史中，生物的更替是以一种不均衡的速度发生的。
化石记录的五次生物大灭绝事件|图源：冯伟民
自显生宙以来的5.4亿年中至少发生了22次生物灭绝事件，具有全球影响的生物大灭绝有5次，即发生在奥陶纪末，晚泥盆世中期、二叠纪末、三叠纪末和白垩纪末的大灭绝。
科学家统计了全世界的古生物化石，绘制出了以科为基础的生物多样性曲线图。从远古到现在，动物多样性总体呈现出增加的趋势，但是，在生物多样性下降比较明显的地方，我们可以看出有5次大的起伏，这构成了5次生物大灭绝的背景。
地球气候的“温度计”
如果在地层中找到造礁珊瑚的化石，就可以推断这个地层曾经是温暖的浅海；如果在地层中发现猛犸象化石，就可以知道这一地层是在寒冷的气候条件下形成的。
造礁珊瑚|图源：yixi.tv
温度作为对生物生长最具有影响的环境因素，不仅控制着生物的纬度分布，也决定了海洋生物和陆生生物海拔或水深垂向上的分布。温度的影响还记录在生物骨骼中，骨骼生长环的宽窄变化是夏冬季节或日夜长短的标记。骨骼成分也清晰地记录了温度的变化。
远古时代的“天文台”
生物的生长离不开环境因素的制约。在地球绕太阳旋转的过程中，四季更替、昼夜变化、潮涨潮落无不对生物的骨骼生长产生周期性的影响，骨骼不仅以生长环（带、纹）表现了这种周期的年、月、日变化，而且骨骼的成分也记录了环境的变化。
图源：冯伟民
根据古生物钟研究，地球自转速度至少从寒武纪以来是逐渐变慢的，这也和天文学家的推算一致。
生命时钟上的刻度
笔石是奥陶纪和志留纪最丰富的物种之一，其演化速度特别快。用笔石来判定地层年代，尤其是在奥陶纪和志留纪，是非常精确的，其精确度远远高于同位素定年。
笔石动物生态场|图源：冯伟民
牙形刺是古生代和三叠纪生物地层的主帅，古生代与中生代界限的划分就是以牙行刺为主的化石确定的，牙行刺在确立二叠纪末金钉子剖面中起了关键的作用。
金钉子的标志化石——牙形刺|图源：sougou.com
中生代菊石演化迅速，分布广泛，成为推算中生代岩石年代最有用的化石之一。珊瑚、贝壳化石、鹦鹉螺化石等具有硬体骨骼的生物生长线能提供的时间刻度更是精细到年、月和日。
地球资源的“藏宝图”
页岩气是一种存在于页岩地层中的新型能源，如何圈定页岩气的分布范围，确定页岩气的地层分布深度？在页岩里发现的笔石化石发挥了重要的作用。
笔石助力我国页岩气勘探|图源：cnhubei.com
我国页岩气产业部门共同采纳的地层划分标准是13个笔石带，只要对钻井岩心中笔石的种类进行分析，确定其对应于这13层中的哪一层，就能确定该岩心是否富含页岩气。
相信随着更多化石的发现，我们能够更好地了解自然和生命，更好地保持对自然和生命的敬畏和热爱，更好地认识我们赖以生存的地球家园。
编辑：一星期
科学审核：冯伟民 博士，中科院南京地质古生物研究所二级研究员
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不代表中科院物理所立场
来源：上海自然博物馆
编辑：just_iu
