生活中，我們常常會在博物館看到形态各異的化石：
上海自然博物館的化石
但是，除了過過眼瘾，你真的了解它們嗎？
化石是什麼？
化石是指儲存在岩石中的遠古（一般指一萬年以前）生物的遺體、遺迹和死亡後分解的有機物分子。
遺迹化石|圖源：pixabay
化石有多種類型，最多最常見的是實體化石，比如大家最熟悉的恐龍骨骼化石；還有一種是遺迹化石，是指生物在活體的時候發生行為的一種印迹，比如恐龍蛋，恐龍腳印，恐龍排洩物，以及覓食痕迹等；另外還有模鑄化石，分子化石，和琥珀化石等類型。
化石傳奇在哪裡？
地球已有46億年的曆史，生命的演化史也有将近40億年，在地球漫長的演化過程當中，曾經出現過難以數計的生命現象。科學家都是怎樣揭秘遙遠過去的生命現象的？
圖源：《地球生命的起源和進化 》
當然是通過化石！那麼，化石中隐藏着哪些遠古時期的秘密？
書寫地球曆史的“文字”
如果把地球曆史看做一部編年史書的話，不同地質年代的岩層則可以作為地球的 “書頁”，而化石就是書中提供關鍵資訊的“文字”。地球生物的演化曆史就埋藏在岩層中，年代越久遠的生物化石就儲存在岩層的最底層。
地球演變曆史就像一本書|圖源：馮偉民
生物界經曆了從簡單到複雜，從單細胞到多細胞的發展階段。這種不可逆的生物發展演化過程，大都以化石的形式記錄在從老到新的地層中。是以，化石在地層中的分布序列清楚地記述了自有化石記錄以來的地球發展曆史。
地球曆史的“時光機”
化石像一個“時光訓示器”，清楚地揭示了生命進化的規律，即生命從無到有、從海洋進化到陸地，再向空中呈現立體全方位的演化。
以5.4億年為界限，可以把地球生命史分為兩大階段。這個時間點之前統稱為前寒武紀，這個階段涉及三大生命的起源，原核生物、真核生物起源、多細胞生物起源及早期演化。
在前寒武紀階段，生命現象主要是微生物主導的。這一時期有兩次重要的事件就是大氧化事件，第一次大氧化事件将原來缺氧的地球轉變成有氧的地球。大氧化作用的發生跟藍藻（藍細菌）大繁盛有很大的關系。
藍藻（藍細菌)|圖源：sohu
漸漸地，大氣中充滿氧氣，有氧環境就此形成，導緻了生物界一些革命性事件：真核生物的真核細胞出現，真核細胞進一步發展成多細胞，完成有氧環境下形成的生物演化。
地球舞台上的“模特”
地球就像一個無比巨大的舞台，每個地質曆史時期都會産生不同特征的生物類型，演繹着你方唱罷我登場的曆史劇。這些登台亮相的生物就像當今T型台上的“模特”，展示了自古以來一批又一批的生物造型。
地球曆史上的“模特”告訴我們：生物形态是從不規則、不定型、不對稱到輻射對稱再到兩側對稱，兩側對稱又衍生出各種各樣的類型，如軟體動物兩側對稱，節肢動物兩側對稱，昆蟲兩側對稱，魚類兩側對稱等。
上海自然博物館内兩側對稱的三葉蟲|圖源：王曉丹
地球闆塊的“拼圖師”
如今分隔大洋兩側的化石，在遠古時代可能曾經生活在同一塊大陸上。古生物化石為大陸漂移假說提供了直接而有力的證據，可以幫助再造遠古時代的大陸闆塊。
化石證明了岡瓦納古陸的存在|圖源：馮偉民
動植物化石見證着超級大陸。比如：舌 羊齒類植物廣布于南美洲、非洲、南極洲、澳洲和印度的石炭紀—二疊紀地層中；淡水爬行動物中龍産于南美和非洲早二疊世地層；非海相動物水龍獸主要分布于岡瓦納大陸，也見于大陸新疆和包括俄羅斯烏拉爾在内的東歐等其他陸塊的二疊紀末—早三疊世地層中。
恐龍化石多樣性證明了大陸漂移。恐龍是中生代陸上霸主，從侏羅紀到白垩紀恐龍多樣性不斷發展，至白垩紀恐龍多樣性達到了頂峰，這與大陸闆塊從侏羅紀開始不斷分離，至白垩紀形成當今大陸分布格局雛形的時間段相符合。
生物大滅絕的“記錄者”
生物的滅絕與新生是生命演化中的自然現象，幾乎每時每刻都在發生。統計資料表明，地球上的生物以平均每一百萬年2-5個科的速率在滅絕。
地球上曾存活過10億至40億種動、植物和菌類，其中97%以上已經滅絕。在整個生命曆史中，生物的更替是以一種不均衡的速度發生的。
化石記錄的五次生物大滅絕事件|圖源：馮偉民
自顯生宙以來的5.4億年中至少發生了22次生物滅絕事件，具有全球影響的生物大滅絕有5次，即發生在奧陶紀末，晚泥盆世中期、二疊紀末、三疊紀末和白垩紀末的大滅絕。
科學家統計了全世界的古生物化石，繪制出了以科為基礎的生物多樣性曲線圖。從遠古到現在，動物多樣性總體呈現出增加的趨勢，但是，在生物多樣性下降比較明顯的地方，我們可以看出有5次大的起伏，這構成了5次生物大滅絕的背景。
地球氣候的“溫度計”
如果在地層中找到造礁珊瑚的化石，就可以推斷這個地層曾經是溫暖的淺海；如果在地層中發現猛犸象化石，就可以知道這一地層是在寒冷的氣候條件下形成的。
造礁珊瑚|圖源：yixi.tv
溫度作為對生物生長最具有影響的環境因素，不僅控制着生物的緯度分布，也決定了海洋生物和陸生生物海拔或水深垂向上的分布。溫度的影響還記錄在生物骨骼中，骨骼生長環的寬窄變化是夏冬季節或日夜長短的标記。骨骼成分也清晰地記錄了溫度的變化。
遠古時代的“天文台”
生物的生長離不開環境因素的制約。在地球繞太陽旋轉的過程中，四季更替、晝夜變化、潮漲潮落無不對生物的骨骼生長産生周期性的影響，骨骼不僅以生長環（帶、紋）表現了這種周期的年、月、日變化，而且骨骼的成分也記錄了環境的變化。
圖源：馮偉民
根據古生物鐘研究，地球自轉速度至少從寒武紀以來是逐漸變慢的，這也和天文學家的推算一緻。
生命時鐘上的刻度
筆石是奧陶紀和志留紀最豐富的物種之一，其演化速度特别快。用筆石來判定地層年代，尤其是在奧陶紀和志留紀，是非常精确的，其精确度遠遠高于同位素定年。
筆石動物生态場|圖源：馮偉民
牙形刺是古生代和三疊紀生物地層的主帥，古生代與中生代界限的劃分就是以牙行刺為主的化石确定的，牙行刺在确立二疊紀末金釘子剖面中起了關鍵的作用。
金釘子的标志化石——牙形刺|圖源：sougou.com
中生代菊石演化迅速，分布廣泛，成為推算中生代岩石年代最有用的化石之一。珊瑚、貝殼化石、鹦鹉螺化石等具有硬體骨骼的生物生長線能提供的時間刻度更是精細到年、月和日。
地球資源的“藏寶圖”
頁岩氣是一種存在于頁岩地層中的新型能源，如何圈定頁岩氣的分布範圍，确定頁岩氣的地層分布深度？在頁岩裡發現的筆石化石發揮了重要的作用。
筆石助力大陸頁岩氣勘探|圖源：cnhubei.com
大陸頁岩氣産業部門共同采納的地層劃分标準是13個筆石帶，隻要對鑽井岩心中筆石的種類進行分析，确定其對應于這13層中的哪一層，就能确定該岩心是否富含頁岩氣。
相信随着更多化石的發現，我們能夠更好地了解自然和生命，更好地保持對自然和生命的敬畏和熱愛，更好地認識我們賴以生存的地球家園。
編輯：一星期
科學稽核：馮偉民 博士，中科院南京地質古生物研究所二級研究員
轉載内容僅代表作者觀點
不代表中科院實體所立場
來源：上海自然博物館
編輯：just_iu