高中地球科学/化石
纵观人类历史，人们发现了化石，并对很久以前生活过的生物感到好奇。在古代，化石激发了人们对怪物和其他奇怪生物的传说。中国作家张渠在 2000 年前报道了在中国发现“龙骨”，这很可能是恐龙化石。狮身鹰首兽，一种神话中的生物，有狮子的身体和鹰的头和翅膀，很可能是根据中亚游牧民族发现的原角龙骨骼（图 11.1）。
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| 图 11.1：狮身鹰首兽（左）和原角龙（右）。 | |
另一个化石让希腊人想起了公羊的盘绕的角。希腊人以公羊神阿蒙的名字命名它们为菊石。同样，独眼巨人的传说可能是基于在克里特岛和其他地中海岛屿发现的象化石头骨。你能明白为什么吗（图 11.2）？
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| 图 11.2：菊石（左）和象头骨（右）。 | |
许多真正成为化石骨骼的生物，并不比它们启发的传说生物逊色（图 11.3）。巨型翼龙风神翼龙的翼展可达 12 米（39 英尺）。恐龙阿根廷龙的估计体重为 80,000 千克，相当于 7 头大象的重量！其他化石，如三叶虫和菊石，以其奇特的形态和精致的美感给我们留下了深刻的印象。
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| 图 11.3：Kolihapeltis sp（左）和菊石（右）。 | |
- 解释为什么生物体很少能被保存为化石。
- 区分实体化石和遗迹化石。
- 描述五种石化类型。
- 解释指示化石的重要性，并给出几个例子。
- 描述活化石是什么。
化石是指任何古代生物的遗骸或痕迹。化石包括软组织腐烂后留下的实体化石，以及遗迹化石，例如洞穴、足迹或化石废物（粪便）（图 11.4）。
曾经活着的生物变成化石的过程称为石化。石化是一个非常罕见的过程：在地球上生存过的所有生物中，只有极小一部分变成了化石。要弄清楚为什么，想象一下一只在非洲大草原上死去的羚羊。它的大部分身体很快就被食腐动物吃掉了，剩下的肉很快就被昆虫和细菌吃掉了，只留下一些散落的骨头。随着岁月的流逝，骨头散落并碎裂成小块，最终变成尘土，将它们的营养物质归还土壤。羚羊的任何遗骸实际上被保存为化石都是罕见的。
在海底，当蛤蜊、牡蛎和其他贝类死亡时，也会发生类似的过程。软组织很快腐烂，贝壳散落在海底。如果贝壳在浅水区，海浪的冲击会很快将其磨成沙子大小的碎片。即使它们不在浅水区，贝壳也会被蠕虫、海绵和其他动物攻击（图 11.5）。
对于没有坚硬外壳或骨骼的动物来说，石化更加罕见。因此，化石记录中包含了许多有外壳、骨骼或其他坚硬部分的动物，而软体动物则很少。几乎没有水母、蠕虫或蛞蝓的化石记录。昆虫是迄今为止陆地上最常见的动物，但它们很少被发现为化石。因为哺乳动物的牙齿比其他骨骼更耐用，所以哺乳动物化石记录的大部分由牙齿组成。这意味着化石记录将显示许多具有外壳、骨骼或其他坚硬部分的生物，并且几乎总是会遗漏同时存在的许多软体生物。
由于大多数腐烂和碎裂发生在地表，因此导致石化的主要因素是快速埋葬。在河流三角洲附近死亡的海洋生物可能会被河流携带的沉积物埋葬。海上的风暴可能会移动海底的沉积物，覆盖并帮助保存骨骼遗骸。
陆地上，埋葬是罕见的，因此陆地动物和植物的化石比海洋化石少见。陆地生物可能会被泥石流或火山喷发的灰烬埋葬，或者被沙尘暴中的沙子覆盖。骨骼也可能被湖泊、沼泽或泥炭沼泽中的泥土覆盖。一些保存最完好的陆地动物骨骼是在加州洛杉矶的拉布雷亚沥青坑中发现的。虽然被困在坑中的动物可能遭受了缓慢而痛苦的死亡，但它们骨骼却被粘稠的沥青完美地保存了下来。
尽管存在保存的困难，但数十亿的化石已经被数千名科学家发现、检查和识别。化石记录是我们了解地球生命史的最佳线索，也是过去气候和地质条件的重要指标。化石记录也对我们的生活发挥着关键作用。煤炭、天然气和石油等化石燃料是由数百万年前生活过的动植物的腐烂遗骸形成的。
石化可以通过多种方式发生。大多数化石通过以下五种过程之一保存下来（图 11.6）：保存的遗骸、矿化作用、模具和铸件、置换和压缩。
最罕见的石化形式是保存原始骨骼材料，甚至包括软组织。例如，昆虫在琥珀中保存得非常完好，琥珀是古代树脂。在冰川中发现了几个猛犸象甚至一位尼安德特人猎人。这些保存的遗骸让科学家们有机会罕见地检查古代生物的皮肤、毛发和器官。科学家们从这些遗骸中收集了 DNA，并将 DNA 序列与现代生物的 DNA 序列进行了比较。
最常见的石化方法是矿化作用。骨头、木头碎片或贝壳被埋在沉积物中后，可能会暴露在通过沉积物的富含矿物质的水中。这种水会将矿物质沉积到空隙中，形成化石。恐龙化石骨骼、硅化木和许多海洋化石都是通过矿化作用形成的。
在某些情况下，原始的骨头或贝壳会溶解，在贝壳或骨头形状的地方留下空隙。这种凹陷称为模具。后来，这个空间可能会被其他沉积物填充，形成与原始生物形状相匹配的铸件。许多软体动物（蛤蜊、蜗牛、章鱼和乌贼）通常被发现为模具和铸件，因为它们的外壳很容易溶解。
在某些情况下，原始的贝壳或骨头会溶解，并被另一种矿物质取代。例如，最初是方解石的贝壳可能会被白云石、石英或黄铁矿取代。如果石英化石被方解石基质包围，方解石可以用酸溶解，留下一个保存完好的石英化石。
当化石遗骸被高压压缩时，一些化石就会形成。这可能会留下化石的深色印记。压缩对于树叶和蕨类的化石最常见，但也可能发生在其他生物体中。
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| 图 11.6：五种化石类型：保存在琥珀中的昆虫、硅化木、蛤蜊贝壳的铸模、蕨类的压缩化石和黄铁矿化的菊石。 | |
一些岩层中发现了非常特殊的化石。这些岩层中的化石可能显示出通常不会保存下来的软体部分的证据。最著名的两种软体生物保存的例子是加拿大的伯吉斯页岩和德国的索尔恩霍芬石灰岩。伯吉斯页岩已有 5.05 亿年的历史，记录了地球海洋中最早的有壳生物的爆发。许多伯吉斯页岩化石是奇形怪状的动物，似乎与任何其他动物群都没有关系。索尔恩霍芬石灰岩已有 1.45 亿年的历史，包含了许多通常不会保存下来的软体生物的化石，例如水母。最著名的索尔恩霍芬化石是始祖鸟，是最早的鸟类之一。虽然它看起来像恐龙化石，但可以清楚地看到羽毛的印记（图 11.7）。
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| 图 11.7：来自拉格施泰特的化石：始祖鸟（左）和奇虾（右）。始祖鸟是一种早期的鸟类。奇虾是一种巨大的掠食者（长一米），生活在 5 亿年前。 | |
化石记录清楚地表明，随着时间的推移，地球上的生命发生了变化。相对年轻的岩石中的化石往往类似于今天存活的动植物。在更古老的岩石中，化石与现代生物的相似程度较低。
随着科学家从不同的岩层和地层中收集化石，他们发现他们通常可以通过它所包含的化石组合来识别岩层。一些化石在匹配来自不同地区的岩层方面特别有用。这些化石被称为指示化石，分布广泛，但只存在了相对较短的时间。当发现特定的指示化石时，该层的相对年龄就会立即确定。
许多化石可能符合指示化石的条件。菊石、三叶虫和笔石通常被用作指示化石，各种微体化石或微观生物的化石也是如此。在海洋上层漂浮的动物的化石特别有用，因为它们可能分布在世界各地。
与指示化石相反，活化石是长时间存在且几乎没有改变的生物。例如，舌形贝腕足类动物从寒武纪一直延续到今天，时间跨度超过 5 亿年！现代舌形贝动物几乎与它们的化石对应物无法区分（图 11.8）。
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| 图 11.8：舌形贝化石（左）和现代舌形贝（右）。 | |
化石是我们关于地球生命历史的最佳证据。此外，化石可以给我们提供有关过去气候、板块运动和其他主要地质事件的线索。
化石可以提供的第一个线索是环境是海洋（水下）还是陆地（陆地）。除了岩石特征之外，化石还可以表明水是浅的还是深的，沉积速率是慢的还是快的。化石的磨损和破碎程度可以使科学家估计波浪作用的程度或风暴的频率。
通常在高山上或高山附近发现海洋生物的化石。例如，世界上最高的山脉喜马拉雅山脉就包含三叶虫、腕足类动物和其他海洋生物化石。这表明海床上的岩石已经隆起形成巨大的山脉。在喜马拉雅山脉的情况下，这种情况发生在约 4000 万年前印度次大陆开始撞击亚洲的时候。
化石还可以揭示有关过去气候的线索。例如，在南极洲发现了植物化石和煤层。虽然南极洲今天是冰冻的，但在过去它一定更温暖。这是因为地球的气候发生了变化，而且南极洲并不总是位于南极点。
化石记录揭示的最令人着迷的模式之一是一系列大灭绝，即许多物种灭绝的时期。虽然导致恐龙灭绝的大灭绝最为著名，但地球历史上最大规模的灭绝发生在二叠纪末期，大约 2.5 亿年前。据估计，这场灾难导致地球上超过 95% 的物种灭绝！这些大灭绝的原因尚不清楚，但大多数科学家认为彗星或小行星的撞击是至少其中一些灾难的原因。
- 化石是任何古代生命的遗骸。化石可以是实体化石，即生物本身的遗骸，也可以是痕迹化石，例如洞穴、足迹或其他活动证据。
- 作为化石保存是一个相对罕见的现象。快速埋葬和可保存的硬质部分（如骨骼或贝壳）的存在会增加成为化石的机会。
- 化石以五种方式形成：原始遗骸的保存、矿化作用、模具和铸模、替代和压缩。
- 具有特殊化石的岩石地层被称为对于科学家来说非常重要。它们使我们能够看到有关生物的信息，这些信息我们可能永远无法通过其他方式知道。
- 指示化石是分布广泛但只存在很短时间的化石。指示化石可以帮助科学家找到岩层的相对年龄，并将其与其他岩层匹配。
- 活化石是数百万年来变化不大且今天仍存在的生物。
- 化石提供了有关地球生命历史、环境、气候、板块运动和其他事件的线索。
- 哪些因素使动物更有可能被保存为化石？
- 化石形成的五种主要过程是什么？
- 一位科学家想要确定一块岩石的年代。这块岩石中包含一个指示化石和一个活化石的古老近亲。哪种化石更适合对岩石进行年代测定，为什么？
- 斯匹次卑尔根岛位于挪威北部的北冰洋，靠近北极。在斯匹次卑尔根岛的煤层中发现了热带水果化石。这说明了什么？
- 琥珀
- 树脂化石。
- 实体化石
- 古代生物的遗骸。例如贝壳、骨骼、牙齿和叶子。
- 铸模
- 当沉积物填充模具并硬化时形成的结构，形成原始结构的复制品。
- 化石
- 任何古代生物的遗骸或痕迹。
- 化石燃料
- 由古代生物遗骸形成的燃料。例如煤炭、石油和天然气。
- 化石化
- 变成化石的过程。
- 指示化石
- 一种化石，可以识别并显示它所在的岩石的相对年龄。指示化石来自分布广泛但存在时间相对较短的物种。
- 活化石
- 一种现代物种或属，在地球上存在了数百万年，几乎没有改变。
- 海洋
- 属于海洋的。
- 大灭绝
- 一段异常大量的物种灭绝的时期。
- 微体化石
- 必须借助显微镜才能观察的化石。
- 模具
- 生物的硬质部分在沉积物中留下的印记。
- 矿化作用
- 一种化石化类型，其中矿物质沉积在生物原始硬质部分的孔隙中。
- 陆地
- 属于陆地的。
- 痕迹化石
- 古代生物活动的证据。例如足迹、踪迹、洞穴、管子、钻孔和咬痕。
- 还有哪些神话生物的例子可能是基于化石的？
- 为什么动物如此罕见地被保存为化石？
- 有些生物比其他生物更容易保存。这对研究古代生态系统的科学家来说为什么是一个问题？
- 为什么非凡化石保存的例子对科学家来说如此宝贵？
- 在许多大陆的中心，远离任何海洋，发现了许多海洋生物化石。你能从中学到什么结论？