化石

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三叶虫化石
海螺化石

  化石汉语拼音:Huashi;英语:Fossil),保存在岩层中的地质历史时期(距今38亿至1万年间)的生物遗体或生物活动所留下的遗迹。化石是古生物学研究的唯一对象。通常将地质历史中的全新世(距今约1万年至现在)以前的生物划入古生物的范围。如云南中、上新世煤系地层中就发现有现生矮山栎(Quercus monimotricha)化石,山东山旺中新世硅藻土层中产出现生种秋葡萄(Vitis romanetii)的叶化石。

  简单地说,化石就是生活在遥远的过去的生物的遗体或遗迹变成的石头。在漫长的地质年代里,地球上曾经生活过无数的生物,这些生物死亡后的遗体或是生活时遗留下来的痕迹,许多都被当时的泥沙掩埋起来。在随后的岁月中,这些生物遗体中的有机质分解殆尽,坚硬的部分如外壳、骨骼、枝叶等与包围在周围的沉积物一起经过石化变成了石头,但是它们原来的形态、结构(甚至一些细微的内部构造)依然保留着;同样,那些生物生活时留下的痕迹也可以这样保留下来。我们把这些石化了的生物遗体、遗迹就称为化石。从化石中可以看到古代动物、植物的样子,从而可以推断出古代动物、植物的生活情况和生活环境,可以推断出埋藏化石的地层形成的年代和经历的变化,可以看到生物从古到今的变化等等。

人类对化石的认识史[编辑 | 编辑源代码]

  早在远古时期,希腊的希波利图斯曾引用色诺芬尼的论著,认为山上发现的海生动物遗迹是当时动物留下、凝固下来的。同时,在中国成于春秋之末或战国初期(约公元前5世纪)的《山海经》中的《山经》有关于龙骨的记载。至11世纪宋代苏颂在《本草图经》中,明确指出龙骨是龙死后的遗体的骨、角、齿等硬的部分。沈括的《梦溪笔谈》第21卷第17则:“近岁延州……土下得竹笋……悉化为石。……延素无竹,此……不知何代物。无乃旷古以前,地卑气湿而宜竹邪?婺州金华山……核桃、芦根、鱼、蟹之类,皆有成石者……”再如同卷第11则有:“遵太行而北,山崖之间,往往衔螺蚌壳及石子如鸟卵者,横亘石壁如带。此乃昔之海滨,今东距海已近千里。”沈括的记载与化石密切相关,以现代古生物学观点分析,可以看出:其一,太行山崖间的螺蚌壳,显系古生代地层中的腕足动物软体动物化石。其二,浙江婺州金华属地即今之浙江省中偏西部地区,该地中生代地层中发现了多种植物和鱼、虾化石。至于延州之竹笋,经中国古生物学家考释,可能是一种已绝灭的节蕨类化石——新芦木。类似记载在这一时期的其他书籍中亦常可见到,如颜真卿的《麻姑仙坛记》记有“高石中犹有螺蚌壳,或以为桑田所变”。朱熹说:“尝见高山有螺蚌壳,或生石中。此石即旧日之土,螺蚌即水中之物。”同时,龙骨、龙齿、石燕、石蟹、石蛇(可能是腹足类化石)等一直作为药用。蝙蝠石、直角石、鱼化石等作为装饰品、收藏品一直被利用着。

  在欧洲达·芬奇于1508年首先提出化石是曾经活着的动植物的遗体。德国医生G.鲍尔着眼于这些化石有无药用价值。丹麦地质学家和解剖学家N.斯泰诺提出化石是古代有机体的遗骸,细心研究化石有可能解释各种地质事件编年史的看法。关于化石的一个著名的插曲也发生在这个时期,1726年作为宗教徒的自然科学家J.J.朔伊希策将瑞士埃宁根中新世湖相沉积褐煤层中的蝾螈化石视为《圣经》中大洪水时期有罪的俗人的遗骸,定名为Homo diluvii testis(洪水证人)。这一错误直到1811年才由G.居维叶予以纠正。在其1812年出版的四卷本巨著的第四卷第十五篇论文中指出这一化石不是“人”而是一种盲螈(Proteus)。直到1837年才由另外学者正式定名为朔氏大蝾螈(Andrias scheuchzeri)。自W.史密斯C.莱尔,尤其是C.R.达尔文以后,对于化石的认识逐渐深入而达到作为现代科学的古生物学的研究水平。

  中国由于长期的封建小农经济和以尊孔读经为主导的科举制度等诸多因素的影响,使古代科学技术未能萌发出近代科学。对于化石的再认识也是19世纪中叶以后,作为现代科学的一部分由西欧传入中国,或由西欧经日本再传入中国的。

分类[编辑 | 编辑源代码]

  化石通常根据生物所属的分类的不同,分别被称为古无脊椎动物化石、古脊椎动物化石、古植物化石,以及按不同分类级别而统称的如珊瑚化石、龟鳖化石、有孔虫化石、松柏化石等。同时,还根据生物个体大小的不同,分为大化石、微体化石、超微化石。将通常不需要利用显微镜即能进行研究的化石称为大化石,如三叶虫、高等植物、恐龙等的化石。但对于这些生物的微细构造进行研究时仍然要使用显微镜,如珊瑚化石和具介壳动物的壳的构造等。对于必须利用显微镜才能进行观察和研究的个体微小的化石,称为微体化石或微化石,如有孔虫、介形虫、硅藻等,某些大生物的微小部分如轮藻的藏卵器,植物的孢子、花粉,虫牙(虫颚)、牙形石等。地层中发现了许多极为微小的化石,它们的直径在30~10微米以下,被称为超微化石。超微化石包括颗石(coccoliths)、盘星石(Discoaster)、超微锥石(Nannoconus)等。

形成条件[编辑 | 编辑源代码]

  将古生物遗体或遗迹保存为化石的各种作用被称为化石化作用,包括生物遗体被掩埋、保存、石化以及模铸化石形成等作用。

  形成化石的条件:

  1. 古生物要具有能保存为化石的硬体,如贝壳、几丁质外壳、骨骼、牙齿等,才能不腐烂或被食肉动物吃掉。不具硬体的古生物在特殊的条件下虽然也可以形成化石,但机会极少。
  2. 死亡生物的遗体要能在绝氧的环境下被保存,如被水下沉积物迅速掩埋,并不被机械作用破坏。
  3. 要有足够的时间,使古生物遗体在沉积物成岩过程中及成岩作用后具有更为坚硬的物理特性和更具化学稳定性。④在以后的地球内、外动力的作用下没有被再次破坏而终于保存下来。

  生物群或某些生物由于不同原因而导致死亡时,其中一部分或大部分尸体经搬运或仍在原地堆积,其中未被有机和无机条件破坏而保留下来的硬体被沉积物掩埋。被埋藏的生物遗骸或遗迹在成岩过程中和以后未被破坏而保存下来就成为化石。可见,能形成化石的只是当时生物群的一小部分,而每一化石群的组成可能是很复杂的。

保存类型[编辑 | 编辑源代码]

  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。

实体化石[编辑 | 编辑源代码]

  由生物遗体的全部或一部分保存而成化石,其中大多数仅保存了生物的硬体部分如外壳、骨骼等。实体化石可分为三种。

  • 未变实体化石 特指古代生物软体部分尚保存的化石。著名的西伯利亚和阿拉斯加冻土中发现的猛犸象,其毛、皮、内脏都保存完好,甚至有些个体的肉还可供食肉兽食用。从它们胃中残留食物及孢子花粉可以推知它们的食性。其次,如保存在古近纪琥珀中的昆虫化石,其中一部分仍为原来的躯体,著名的产地有波罗的海沿岸和中国的抚顺等。在德国哈雷城附近的始新世褐煤层中的青蛙化石,可以观察到青蛙的上皮细胞和细胞核以及黑色素细胞;甚至可以在昆虫化石的气管中发现细菌的遗骸。再次,有一些软组织已经木乃伊化的化石。通常是生物死后,在干燥条件下,形成木乃伊,如果生物死后,遗体坠入沥青坑中,也可形成化石。在美洲直至距今8,000年前可能还生存着的披毛贫齿类——大地懒类的木乃伊化石发现于美国内华达州吉普瑟姆洞穴和阿根廷巴塔哥尼亚高原的乌尔蒂马埃斯佩兰萨地区。总之,保存软体的化石,在数量上、种类上都是极少的,而且多发现于较晚地质时期形成的地层中。这些都是化石中的珍品,既有研究价值也富陈列价值。
  • 微变硬体化石 一些生物遗体被掩埋后,其软体已被破坏,仅留下其稍有变化的硬组织,如牙齿、贝壳、几丁质壳等,至少已失去部分水分、有机质膜、色泽、光泽等。其中最大的变化应该是无脊椎动物硬壳中原来不稳定的三方晶系的文石,因温度压力升高而变为斜方晶系的方解石(在常压下经400℃文石变为方解石,经-40℃的低温方解石可变成文石)。这时化石的矿物组成成分不变,只是矿物颗粒的晶体结构变化,所以原来的生物结构仍保存完好。这类化石很多,如三叶虫甲壳、各种无脊椎动物的贝壳、钙质骨骼、脊椎动物的牙齿和孢子、花粉外壁及牙形石等。如果植物叶被压在岩石中,则称为压型,如将化石取出,可以详细研究其细胞结构,如表皮、气孔、孢子囊等。
  • 石化化石 生物遗体被掩埋后,经地下水、地层压力和增温等作用而形成的化石称石化化石,这种作用称为石化作用。石化作用主要有三种:第一,矿质充填作用或过矿化作用,地下水携带的矿物质成分填充在疏松多孔的硬体组织之中或硬体组织之间的空隙,使原来的组织更为致密并增加重量,而原组织结构未发生变化。如有孔虫、?、珊瑚和腕足动物硬壳或钙质骨骼间被碳酸钙质或泥质、砂质、硅质等所充填。脊椎动物骨骼中的孔隙被充填。第二,炭化作用或升馏作用,一般发生在具碳水化合物的有机质硬体骨骼及植物叶或叶状体中,在地层的压力和地热增温作用的影响下,有机物中的易挥发成分被升馏,仅留下稳定的炭质薄膜。如炭化的植物叶化石、笔石、某些节肢动物的外壳、昆虫的翅。在琥珀昆虫化石中,也有相当多的一部分,由于原来水分和松节油等挥发成分升馏变为琥珀时,使被包裹的昆虫的水分及有机成分也同时蒸腾,而形成炭质薄膜附于包围昆虫的空腔的壁上。第三,置换作用或交代作用,通常发生于携带矿物成分的地下水与生物硬体之间,原来硬体组织被溶解的速度与地下水带来的矿物质的填充速度相等而且在分子间进行交代,原来的生物结构包括细胞组织的轮廓等都清晰可见。最常见的是硅化木,它是由二氧化硅交代了原来的细胞而形成的。其他矿物质如方解石、白云石、黄铁矿、赤铁矿等作为交代物而进行交换作用,被称为钙化、黄铁矿化和赤铁矿化作用。至于溶解速度大于交代速度时,则矿物质只能填入溶解后的空腔,而形成模铸化石。

模铸化石[编辑 | 编辑源代码]

  生物遗体在岩层中所留下的印痕及在其所遗空腔中的填充物,均被称为模铸化石,它们不是生物的遗体,不同于以上三种实体化石。根据化石与周围岩石的关系可以分为许多种保存形式。

  • 压痕 一般指软组织或植物叶留在沉积物上的印痕,如在许多著名化石产地的水母印痕,德国索尔恩霍芬晚侏罗世石印石灰岩中始祖鸟的羽毛印痕。沉积物颗粒愈细,这种印痕化石愈容易保存得更精美。
  • 模核 泛指留在围岩上的生物遗体的坚硬部分的内外表面的印痕或生物遗体被溶蚀后的空腔中的填充物形成的化石。外表面的印痕叫外模,内表面的印痕叫内模,它们反映的花纹的凹凸与原物相反。如双壳类的介壳两瓣分开保存,即可在围岩上形成凹状的外模和凸状的内模。在双壳类的两个壳瓣间的空腔被沉积物充填,其大小和形状与原空腔完全一致,就构成内核。如果内核形成后,生物遗体被溶蚀,再被沉积物充填而形成铸型。如果生物遗体内部未被充填前,遗体被溶蚀,在其所留空腔中填入沉积物,就形成外核或称复型。铸型及外核均反映原物的外表特征,与原物形状大小相似,但不反映生物硬体内部的结构,二者的区别在于铸型内还包有一个内核。
  • 复合模 外模和内模重叠在一起就形成复合模。一般是在内模外模均已形成后,生物遗体被溶蚀,经地层压实作用而形成的。以双壳类为例,其外模具放射肋而内模具肌痕,复合模上则既可见放射肋亦可见到肌痕。同样具有两瓣壳的腕足动物亦可形成复合模。

遗迹化石[编辑 | 编辑源代码]

  古代生物在其生活活动过程中所留下的痕迹和活动产物保存为化石后,被称为遗迹化石或痕迹化石。由于遗迹化石多不与实体化石和模铸化石同时发现,尤其在缺少实体和模铸化石的地区,遗迹化石可以在地层划分和对比及判断古沉积环境和古地理条件等方面提供证据。专门研究遗迹的科学称为遗迹学,专门研究遗迹化石的即古遗迹学。由于对遗迹化石很难进行生物学分类,大都依其所反映的行为习性分为栖息迹、爬行迹(包括足迹和移迹)、牧食迹、觅食迹、居住迹(包括潜穴、钻孔)、捕食迹(包括创伤、胃残余物、粪化石和粪粒化石)。

  在遗迹化石中还可包括胃石、蛋化石和卵粒化石,不过其中有些亦可列入实体化石中,如蛋及卵粒。而同样属于遗迹性的环节动物的虫管化石,以及与生物活动有关的沉积构造如叠层石和核形石等却常放在有关的生物化石中讨论,尽管有人主张也应归入遗迹化石。

化学化石[编辑 | 编辑源代码]

  沉积物中的生物遗体虽已消失,但组成生物的一些生物化学物质却仍留存在岩层中,如多种氨基酸、烃、核苷酸、嘌呤和蛋白质等。这些都被称为化学化石。不过化学化石尚不能与生物分类相联系,甚至只能表明曾有某些生物存在。但在材料丰富的情况下与现生物对比,还是可以在地层对比和生命起源等方面提供必要的证据。

研究意义[编辑 | 编辑源代码]

  化石研究对地质学、古生物学和考古学、文物学都有重要意义。

化石与地质学[编辑 | 编辑源代码]

  在地质学上化石也有着重要的意义:

  1. 有些化石特征显著、延续时间较短而分布范围较广,并且数量多而较易发现,常可作为划分对比地层的重要依据。这些化石被称为标准化石。
  2. 不同的生物或生物组合中,有些对生活环境、生存的自然地理条件有较严格的要求。根据这些化石可以相当准确地推断出当时各地的环境条件,被称为指相化石。以上两种化石也可以笼统称为标志化石。
  3. 在地层学中可以用来作为划分最小地层单位的生物带的依据的化石称为带化石。

  在某些被认为是标准化石的生物类别或属、种,有时会在其大量出现前或认为已绝灭后,出现于较古老或较新地质时代的地层中,前者被称为前驱,而后者被称为孑遗。这是一对通用词,而不是一个科学名词,只一般的表示某些生物种类在其同类繁荣前超前出现或绝灭后拖后绝灭的事实。例如,直到20世纪50年代通常认为正笔石类在志留纪末已经绝灭,当人们在个别地点的泥盆纪地层中偶然发现了极少量的单笔石类化石时,这些单笔石类就被称为孑遗。但是60年代以来,在世界各地普遍发现泥盆纪单笔石类化石,这就从根本上改变了人们对正笔石类在志留纪末已绝灭的结论,泥盆纪的单笔石类也不再称为孑遗了。再如三叶虫曾被认为在古生代末已经全部绝灭了,不过近年却在个别地区的三叠纪地层中发现了三叶虫化石。这些三叶虫可以被称为孑遗。中国的大熊猫、四不像鹿都可以称为孑遗。

  在以化石来推断古环境和划分对比地层时,必须注意的一个问题是排除次生化石的干扰。次生化石或称衍生化石,指化石形成后,由于地质营力作用,把这些化石从原地层中剥离出,再次沉积到较新地质时代的沉积物中,然后与较新地质时代的生物遗体一起固结成岩。也有相反的情况,如第三纪和第四纪土状堆积中,常有现代啮齿动物的洞穴,并有其死亡后的遗骨。如果再经历千百万年,经固结成岩石,它们也会形成化石,这在某种意义上也属于次生化石之列。在古喀斯特地区也有这种情况出现。

化石与古生物学和考古学[编辑 | 编辑源代码]

  考古学是根据人类通过各种活动遗留下来的实物以研究人类古代历史的一门科学。考古学属于人文科学范畴,是历史科学的一个组成部分。其研究年代的下限,在中国定在明朝灭亡(1644)。其上限为有了人类活动所遗留下的实物以后。考古学研究的时间范畴大体上是旧石器时代到中国的明末。

  旧石器时代的遗物都是埋藏在第四纪地层中的,对当时的生物化石研究,由地质学家(包括地貌学家)和古生物学家担任。因此,作为自然科学工作者的古生物学家也常常从事旧石器时代考古工作。新石器时代约相当于地质历史的全新世,已经不属于古生物学研究范畴。

  古生物学作为生物科学的组成部分,属于自然科学。它研究的对象中包括现代人和猿人在内的一切生物化石。人类化石自然是古生物学家或专门的古人类学家研究的对象。

化石与文物[编辑 | 编辑源代码]

  化石是自然产物,它的出现及保存状态以及它的种类等都不是人的力量所能左右的。其时代下限为距今1万年左右,上限目前已达38亿年。文物是具有历史价值、艺术价值和财务金融价值的古代遗物,是人类自身生活和社会活动的产物,绝大部分经过有意识的加工。文物一词在中国自唐代以来就已被赋予这种含义,俗称古物、古玩。国外常把1830年以前的物品称为文物。在中国对于历史文物及革命文物也有一定的年代限制。

亚化石、假化石及活化石[编辑 | 编辑源代码]

  上面所列的都是真正科学含义上的化石,即使次生化石,也是真正化石。

亚化石[编辑 | 编辑源代码]

  在全新世时期,距今1万年至距今6,000年左右的新石器时代遗址中,常常出土一些动物骨骼和人骨。由于年代久远,骨骼中的有机质均已散失挥发,但尚未石化。它们不属于古生物的范畴,被称为亚化石。在南方的岩溶洞或饱含矿物质的泉、井中有时也可发现一些现代生物的遗体,如骨骼、藻类、树叶等已被碳酸钙所充填或被泉华所包裹,这些生物遗体尽管已“石化”但绝不是化石,也不能称为亚化石。它们的形成年代可能极晚。

假化石[编辑 | 编辑源代码]

  在自然界还可以形成一些稀奇古怪的东西,如黄土中的砂姜,在黏土岩中形成的叠锥,在岩石层面、节理等裂隙中氧化锰沉淀形成的树枝石(又称模树石),矿物结晶形成的多角状似水母印痕等,常被当作化石。此外,构造劈理形成的花纹有些很像硅化木的年轮,常被误认为硅化木等,它们不具任何生物结构,被称为假化石。多与沉积构造有关。但有些暂时既不能肯定是化石,也不能确认为是假化石的,被称为可疑化石。

活化石[编辑 | 编辑源代码]

  经常被误解的是“活化石”。化石是已化石化的1万年前的生物,当然不会是活的。由于这一名词自身的矛盾,不少人将“活化石”与孑遗等同起来而导致了“活化石”一词的混乱。现在认为至少应有以下4个限定条件才能将现生某物种称为活化石:

  1. 在解剖上真正与某一古老物种极相似,但并不一定是完全相同或就是该物种。
  2. 这一古老物种至少已有近千万年或相当长的历史,在整个地质历史过程中保留着诸多原始特征,而未发生较大的改变,也就是一种进化缓慢型生物。
  3. 这一类群的现生成员由一个或很少的几个种为代表。
  4. 它们的分布范围极其有限。

  据此,钝吻鳄(扬子鳄和密河鳄)显然属于“活化石”,大熊猫及四不像鹿应属孑遗生物。

  此外,由于植物与动物的进化速度及制约因素均不同,对植物界的“活化石”研究较少。