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化石

化石

化石（fossils）是由于自然作用而保存于地层中的古生物的遗体、遗物或遗迹等的统称。

化石通常是动物的骨骼、牙齿、贝壳、甲壳亚门，植物的茎干、树叶等坚硬部分，经过长期的矿物质填充、置换而成；也有少数是由于保存条件的特殊而未发生改变的完整遗体，如冻土中的猛犸、琥珀中的昆虫等。地层中的化石按其保存特点可分为实体化石、模铸化石、遗迹化石和化学化石4大类。

化石是研究地质时期的生物进化、追溯古地理环境和古气候变迁、确定地层年代等的重要依据。

中国古籍中早已有关于化石的记载，如《山海经》有“石鱼”（即鱼化石）的记述；南齐梁时期陶弘景也有对琥珀中古昆虫的记述。唐代颜真卿、宋代沈括、杜绾等分别对螺蚌化石、植物化石以及鱼化石的本质和来源进行过正确的理解和阐述。研究化石的学科叫做古生物学（Palaeontology），1812年乔治·居维叶《四蹄动物化石骸骨的研究》的出版标志着古生物学的诞生。

词源定义

化石是由于自然作用而保存于地层中的古生物的遗体、遗物或遗迹等的统称。

历史沿革

记载

中国古籍中早已有关于化石的记载，如《山海经》有“石鱼”（即鱼化石）的记述；南齐梁时期陶弘景也有对琥珀中古昆虫的记述。在公元五六世纪，中国古籍中已有关于它的记载。唐代颜真卿、宋代沈括、杜绾等分别对螺蚌化石、植物化石以及鱼化石的本质和来源进行过正确的理解和阐述。

研究

研究化石的学科叫做古生物学（Palaeontology）。作为一门科学始于西方，首先是欧洲。18世纪后期，主要奠基者包括法国博物学家J.P.de拉马克（无脊椎动物学）、英国地质学家W.史密斯（生物地层学）、法国博物学家和动物学G.乔治·居维叶（灾变论、脊椎动物学）、法国学者A.-T.布隆尼亚尔（古植物学）、英国生物学家C.R.查尔斯·达尔文（进化论）。1812年居维叶《四蹄动物化石骸骨的研究》的出版标志着古生物学的诞生。作者阐明了其灾变论和物种不变论思想。英国地质学家吉尔伯特·赖尔、圣提雷尔与居维叶的看法相反，认为物种是变异的。之后才逐步拓展至北美、东欧、亚洲、大洋洲、南美洲和非洲。在发展初期，古生物学主要是对人们发现的各种化石（实体及其印痕、遗迹等）进行描述，并将这些化石应用于相关地层的划分和对比。19世纪中叶开始，古生物学在生物进化的探索方面发挥着越来越重要的作用。进入20世纪，随着一些技术突破，特别是电子显微镜等技术手段在古生物学研究中的运用，以及一系列重要矿产和能源资源勘探开发对古生物学提出的越来越多、越来越高的要求，促使古生物学出现了一系列新的重大突破。自20世纪下半叶以来，随着越来越多的跨越数亿年的重要化石库在全世界多个国家和地区的相继发现和研究，古生物学又一次获得重大发展，相关进化理论取得了一系列新的突破。比如生命起源、真核生物起源、动物起源、脊椎动物起源、寒武纪生命大爆发、鱼类起源与演化、陆地生态系统起源与演化、恐龙起源与演化、鸟类起源与演化、哺乳动物起源与演化、人类起源与演化等等。

中国

1949年前

中国的古生物学在20世纪的发展可分为三个阶段，以1949年和1978年为界。早在19世纪中叶，外国旅行家从中国药店买到蝙蝠石和珊瑚化石，请古生物学家鉴定，借以了解中国有什么时代的。20世纪初，冯·李希霍芬（VonRichthofen）和维理士（Willis）在中国采集大量化石，为中国生物地层学提供了资料。在中国西南地区采得的化石，是1914年由美国古生物学家格拉鲍（Grabau）鉴定的。1920年，丁文江聘葛利普为中国地质调查所古生物研究室主任，兼任教授。这是为了中国地质事业的发展，研究的需要，以便培养中国的专门人才。数年后，中国研究古生物学的人逐渐增多，有了中国自己的第一批古生物学专家，他们成为这门学科在中国的奠基者。李四光20年代在解决中国问题时，重新提出了蜓科分类标准，使中国古生物学的这个领域跃居世界先进水平，他的权威著作《中国北方之蜓科》和《蜓科分类之标准及二叠纪之七新属》闻名世界。对三叶虫、珊瑚、海林檎诸门类研究成就卓越，他于1924年发表的中国人研究古生物的第一部专著《中国北方寒武纪化石》，开创了中国学者研究古无脊椎动物化石的历史。赵亚曾对头足动物的研究造诣很深，他于1927年发表的专著《中国之长身贝科化石》被公认为是具有世界水平的。此外，田奇㻪对、海林檎、海百合的研究，对头足纲和双壳动物的研究，对珊瑚和头足动物的研究，对蜓的研究，和计荣森对珊瑚的研究，许杰的研究，盛莘夫和王珏对三叶虫的研究，赵金科对头足动物的研究，秉志对昆虫的研究，杨钟健对脊椎动物的研究，斯行健对古植物的研究，裴文中对古人类的研究，均为一流的工作。他们的这些出色工作大大丰富了古生物学的内容。抗战胜利后，大部分古生物学家聚集南京，当时恢复的中国古生物学会共有47名会员，成为中国地质学界一支相当可观的队伍，古生物研究也因而在中国地质科学事业发展中占据主要的位置。1949～1978年新中国成立后，古生物研究获得了新生，中国科学院古生物研究所的成立更为古生物学的发展奠定了坚实的基础。古脊椎动物研究室也扩大成研究所。各地质学校均设立了古生物地史教研室，同时，石油工业部、煤炭工业部、冶金工业部和各省地质局均有相应的古生物研究机构，研究人员的数量比1949年前增加达10倍以上。除《中国古生物志》继续出版以外，还创刊了《古生物学报》和《古脊椎动物与古人类》。中国科学院地质古生物研究所和古脊椎动物研究所创办了集刊。地质部地质研究所也创办了地层古生物学专刊。

1978年-2004年

1978年中国古生物学会在山东临朐山旺召开了扩大理事会议，标志着中国古生物学又一个春天的到来，这是党的改革开放政策带来的成果，充分体现了中国古生物学工作者对发展中国古生物学事业的渴望与企盼。1979年在苏州市召开了中国古生物学会第三届会员代表大会暨第十二次学术年会，出席会议503人，大会收到论文352篇，会议盛况空前，是中国古生物学史上具有重要意义的一次会议。这一年中国古生物学会被接纳为国际古生物协会的团体会员，中国古生物学界开始大踏步地走向世界。中国一大批中青年古生物学研究人员脱颖而出，他们继承了古生物学先辈的优良传统与学风，活跃在国内和国际古生物学舞台上。他们在学术上取得了一系列重大的发现和举世瞩目的重要成果。如：在新元古界发现的赵家山生物群、龙凤山生物群、淮南生物群、庙河生物群和西陵峡生物群中所含化石之丰富，保存之精美乃世所罕见；澄江动物群的发现更是引起世界科学界的关注，被誉为“20世纪最惊人的科学发现之一”。1984年在距云南昆明东南80km的澄江早寒武世筇竹寺组发现了所谓的“澄江动物群”。这是中国古生物学领域中的重大发现之一，震动了国内外的地质古生物界。经过中外科学家们的研究，基本面貌已经显露出来。除常见的三叶虫、高肌虫、腕足动物门、软舌螺外，还有罕见的水母和水母状化石、蠕形动物（包括曳鳃动物、环节动物门）、海绵、非三叶虫节肢动物门、非钙质藻类等，甚至还有脊索或半索动物门等，现已定名61属67种以上。辽西地区是热河生物群的发祥地，是世界上少有的中生代化石产地。热河生物群是中生代东亚地区一个独特的生物群，是中生代晚期以鸟类、哺乳类和被子植物门为代表的早期类型的生物群。据不完全统计，仅中国科学院古脊椎动物与古人类研究所和南京地质古生物研究所已发表的有关热河生物群的论文已达200余篇（册）。

特点

化石首先应具备生物特征，如形状、结构、纹饰和有机化学组分等，或者是能够反映生物生活活动而遗留下来的痕迹。

形成原因

形成条件

并不是所有的生物都能形成化石。决定化石形成的因素有很多，但主要取决于生物本身和地质环境。具有硬体的生物保存为化石的可能性较大，像各种贝壳、动物的骨骼等，此外，植物的叶子和棒形孔笔石的体壁等。虽然容易遭受破坏，但是不容易溶解，在高温下能够炭化而成为化石，而动物的内脏和肌肉等软体容易被氧化和腐蚀，除了在极特殊的条件下就很难保存为化石。

形成过程

一个生物体死后，它可能被分解（a），可能被松软的掩埋（b）但也可能破碎或被生活于沉积物中的生物吃掉，或被水流和波浪冲刷再暴露于地表（c）。成岩过程发生的压实和复杂的化学作用又可能形成化石溶解（d），如果岩石业已固化，则可能形成铸型（e），渗入其中的矿物溶液将填充铸型成为化石（f）。有的成为的一部分未被矿化，随着深度、温度、时间和压力的变化，沉积岩会变软、变质，最后化石将遭到破坏（h）。当岩层发生褶皱、上升并遭受侵蚀或人为破坏，化石便暴露地表（i）。

分类

实体化石

化石类型有实体化石、遗迹化石、模铸化石、化学化石。实体化石即由生物遗体本身保存而形成的化石，其中一类是未变质遗体，即生物死后在特殊情况下保存下来的完整生物体；另一类是已变质遗体，即古生物遗体经过石化作用而形成的化石，绝大部分化石属于此类。生物死亡后，其中不稳定成分挥发分解，炭质部分保留下来成为化石，如植物的叶子、棒形孔笔石的角质等，其中的氢、氧、氮等成分挥发逸去，留下炭质薄膜、印模等；动物的骨骼、贝壳等疏松多孔，埋藏后易被水溶液中的CaCO3和SiO2等充填，使其遗体变得致密、坚固、重量增加，形成化石；生物体被埋藏后，其中的有机体分子一边溶失，水溶液中的矿物质一边沉淀，经过长期交替置换，改变了原来生物体的成分，但是却保留了它的形态甚至组织结构而形成化石，最常见的为硅化木，其树皮外形、年轮结构保存完好。

遗迹化石

遗迹化石又称痕迹化石，是生物遗体在地层或围岩中留下的印模或复铸物。一类是印痕即生物遗体陷落在底层所留下的印迹，遗体往往遭受破坏，但这种印迹却反映该生物体的主要特征。第二类是印模化石包括外模和内模两种。外模是遗体坚硬部分（如贝壳）的外表印在围岩上的痕迹，它能够反映原来生物外表形态及构造。内模指壳体的内面轮廓构造印在围岩上的痕迹，能够反映生物硬体的内部形态及构造特征。第三类叫做核上面提到的贝壳内的泥沙充填物称为内核，它的表面就是内模。内核的形状大小和壳内空间的性状大小相等，是反映壳内面构造的实体，如果壳内没有泥沙填充，当贝壳溶解后留下一个与壳同形等大的空间。此空间如再经充填，就形成与原壳外形一致、大小相等而成分均一的实体，即称外核。可据此说明生物的生活方式、生活环境、生态等，有时可以作为确定地层时代的证据。

模铸化石

模铸化石是由古生物遗体保留于围岩上的印痕，称外模，或生物中空部分填充物表面上印痕，称内模，或生物遗体溶蚀后所留空隙被泥沙所填充形成的模型，称铸型，这对于研究不具硬体及外壳易被溶蚀的生物外表形态及内部构造具有重要意义。

化学化石

古代生物的遗体有的虽被破坏未保存下来，但组成生物的有机成分经分解后形成的各种有机物如氨基酸、脂肪酸等仍可保留在岩层中，这种视之无形，但它具有一定的化学分子结构，足以证明过去生物的存在的化石称为化学化石。

应用

化石应用很广。生物化石可为地层对比、划分和确定地层时代提供依据，特别是那些演化快、时代延续短、地理分布广泛的化石，故称为标准化石，如寒武纪的三叶虫、奥陶志留纪的笔石、石炭二叠纪的䗴等；化石为恢复古地理环境和古气候提供重要依据，不同的地理环境具有不同的沉积相、沉积物、古生物组合，如海相、陆相、海陆交互相等不同环境下其生物组合有明显差异，另外浅海、深海，海水温度高低、盐度状况等都在古生物组合上有反映；有些化石可作为某些生物成因矿床的指相化石，如煤、石油、硅藻土、油母页岩和碳酸钙等的形成与生物环境有密切关系，对有关化石的研究可搞清一些矿床的成矿规律和分布状况等；系统的化石资料是研究生物进化的最基本证据，关于人类进化的最主要证据也是来源于各阶段的人类化石。

微体化石也是具有重要意义的化石，它是发现于各地质时代地层中的微小生物遗体和遗迹，其特点是小而多、分布广、指相灵。其大小一般以微米或毫米度量，因此研究时必须用显微镜甚至电子显微镜。其中指相灵是指它们对环境反映敏感，对古气候、古环境、古地理具有准确的标志作用。目前广泛地应用微体化石作为划分对比地层的标志，在找水、找矿、找油等方面已广泛而有效地应用微体化石资料。目前，在中国和世界范围内广泛应用和深入研究的微体化石门类有：介形虫、有孔虫、放射虫、层孔虫、苔藓虫、高肌虫、几丁石、牙形石、轮藻、双鞭毛虫门、蓝藻、绿藻门、红藻、硅藻、超微化石中的球石、疑源类以及维管植物的孢子花粉等。

影响

化石记录了地球生命的进化历程，是人类了解地球历史的一把钥匙。古生物化石是划分和对比地层的重要依据，为生命起源和演化研究提供了证据，是识别古代生物世界的窗口，同时也是重建古环境、古地理和古气候的可靠依据。

其他相关概念

化石带（fossil zone）是由带化石的延限所限定的岩石地层。化石带是根据地层中所含有的生物化石内容和特征所划分出来的地层单位，是生物地层学的基本单元。带化石是用来划分生物带的特殊化石分类单元。带化石多为标志化石，可以用于地层划分和对比。带化石多为标准种或属，可根据其延伸范围或其延伸范围中的极盛阶段等作为生物带的划分标志，一般即以其种名或属名作为带的名称。当用以共同划分单一生物带的带化石大于或等于两个时，也会出现它们均不是标志化石的情况。化石带一般由该段地层中所含的一个或若干个特征的带化石来命名。根据带化石在该段地层中的产出特征及分布情况，化石带可进一步划分为不同的类型，其中最常用的有延限带、间隔带、组合带、富集带及种系带等。

化石种（fossil 物种）指依据化石材料建立的古生物物种。化石是指保存在岩石中的古代生物的遗体或遗迹。生物学的物种，简称“种”，是生物分类研究的基本单元与核心，指的是一个可以相互交配并繁育后代的自然群体，不同物种之间在生殖上相互隔离。由于化石群体的交配或生殖隔离现象无法观察、判定和验证，因此，化石种的确立多依据形态特征，是一种典型的形态种而非真正意义的生物学物种。然而，地质历史时期生物圈纷繁复杂，要深刻认识其多样性及其演变，首先就要对保存在地层中的化石进行鉴别，将它们分门别类，因此，化石种的概念十分必要和实用，它是人们认识地球生态系统演变（从无到有、从简单到复杂、从低级到高级）的前提和基础。在从事化石研究时，要清楚地认识到化石种的局限性，认识到它与生物学物种的本质差别，在鉴别化石种时要尽可能采集、观察大量的标本，认识可能存在的变异，通过度量、统计等方法最大限度地减少化石种的主观性，使之更加接近自然物种。

代表化石

石燕化石

中国古代人最初发现石燕化石时，由于它的形状很像燕子，以为它原先会飞，就称它为石燕。其实石燕非“燕”，而是生活在古生代海洋里的腕足动物门。

鱼化石

鱼化石是非常稀少的珍贵化石。古生代的志留纪中期，有颌的鱼开始出现。到泥盆纪，鱼成为当时最高等、最普遍的动物。所以，泥盆纪也被称为“鱼类时代”。

马门溪龙骨架化石

马门溪龙化石发现于中国宜宾市，长22米、高3.5米，是中国已发现的最大的爬行纲化石。古生物学家推测这只马门溪龙活着时体重可达40～50吨。

始祖鸟化石

侏罗纪末期出现的始祖鸟，是鸟类的祖先。始祖鸟的骨骼特点十分接近爬行类，但它的前肢已变成了翅膀，却留有脚爪，全身还披上了羽毛。这是鸟类从爬行类演化而来的重要证据。

鉴别

假化石有天然和人为之分：天然假化石是由于自然力的作用，地层中保存着许多外形类似化石的物质，但它们并不具有任何生物结构，而是无机化合物界的产物，多与沉积构造有关。而人造假化石则是人为雕刻、拼凑、翻模浇筑的，或者因为无专业指导凭自己想象错误修理的化石。

天然假化石

“树枝石”乍一看以为是苔藓植物或者藻类植物的化石，其实是矿物侵入岩石裂缝的染痕。多为铁锰质氧化物溶液渗透进入岩石的裂缝后沉淀而留下的不规则树枝状的痕迹，仔细观察，可以发现它跟苔藓/藻类植物化石的茎、叶结构还是有挺明显的差别。“菊花石”通常被误认为是某种花的化石，其实它是放射状结晶矿物的集合体，它们的形成过程与生物没有直接关系。

人造假化石

虫珀是琥珀的一种。一些受过自然创伤或树干破裂能够分泌没药树的树木不断地分泌树脂，有的树脂汇集起来形成较大的团块，当树脂刚刚分泌出来时，有的树种的树脂带有甜蜜的香味，吸引了不少昆虫，甚至还有一些以昆虫为食的小动物，由于树脂又粘又稠，昆虫和小动物一旦被粘住就很难逃脱，树脂继续分泌流出，将各种小昆虫、小动物和落在树脂上的小树枝、树叶包裹在其中，就像是大自然制作的包埋标本，其生物体的形态特征原封不动的保存下来，最后，树脂与其中的昆虫尸体在地层中逐渐石化，形成现在所看见的琥珀化石。

基于真化石的造假化石

也称为“半真半假”化石 —— 从成分上来讲，它们具有真实化石的本体结构，但是有一部分是通过拼接、雕刻、粘黏、绘画而来的，这类假化石也有“低阶”版本和“高阶”版本的，“高阶”版本的让人难以分辨，甚至连专业的古生物学者一不留神都可能中招。辽宁古盗鸟（"Archaeoraptor"）是一个科学骗局，文物贩子将不相关的两件动物化石拼凑起来贩卖给美国犹他布兰丁恐龙博物馆馆长斯蒂芬·赛克斯，而后者联系了国家地理学会以及一名古生物学家来证明其真伪。后来国家地理学会发表了证明“古盗鸟”两件化石不属于同一品种，最后整个骗局被揭穿。