高中地球科學/化石

縱觀人類歷史，人們發現了化石，並對很久以前生活過的生物感到好奇。在古代，化石激發了人們對怪物和其他奇怪生物的傳說。中國作家張渠在 2000 年前報道了在中國發現“龍骨”，這很可能是恐龍化石。獅身鷹首獸，一種神話中的生物，有獅子的身體和鷹的頭和翅膀，很可能是根據中亞遊牧民族發現的原角龍骨骼（圖 11.1）。


圖 11.1：獅身鷹首獸（左）和原角龍（右）。

另一個化石讓希臘人想起了公羊的盤繞的角。希臘人以公羊神阿蒙的名字命名它們為菊石。同樣，獨眼巨人的傳說可能是基於在克里特島和其他地中海島嶼發現的象化石頭骨。你能明白為什麼嗎（圖 11.2）？


圖 11.2：菊石（左）和象頭骨（右）。

許多真正成為化石骨骼的生物，並不比它們啟發的傳說生物遜色（圖 11.3）。巨型翼龍風神翼龍的翼展可達 12 米（39 英尺）。恐龍阿根廷龍的估計體重為 80,000 千克，相當於 7 頭大象的重量！其他化石，如三葉蟲和菊石，以其奇特的形態和精緻的美感給我們留下了深刻的印象。


圖 11.3：Kolihapeltis sp（左）和菊石（右）。

課程目標

解釋為什麼生物體很少能被儲存為化石。
區分實體化石和遺蹟化石。
描述五種石化型別。
解釋指示化石的重要性，並給出幾個例子。
描述活化石是什麼。

化石的形成

化石是指任何古代生物的遺骸或痕跡。化石包括軟組織腐爛後留下的實體化石，以及遺蹟化石，例如洞穴、足跡或化石廢物（糞便）（圖 11.4）。

曾經活著的生物變成化石的過程稱為石化。石化是一個非常罕見的過程：在地球上生存過的所有生物中，只有極小一部分變成了化石。要弄清楚為什麼，想象一下一隻在非洲大草原上死去的羚羊。它的大部分身體很快就被食腐動物吃掉了，剩下的肉很快就被昆蟲和細菌吃掉了，只留下一些散落的骨頭。隨著歲月的流逝，骨頭散落並碎裂成小塊，最終變成塵土，將它們的營養物質歸還土壤。羚羊的任何遺骸實際上被儲存為化石都是罕見的。

在海底，當蛤蜊、牡蠣和其他貝類死亡時，也會發生類似的過程。軟組織很快腐爛，貝殼散落在海底。如果貝殼在淺水區，海浪的衝擊會很快將其磨成沙子大小的碎片。即使它們不在淺水區，貝殼也會被蠕蟲、海綿和其他動物攻擊（圖 11.5）。

對於沒有堅硬外殼或骨骼的動物來說，石化更加罕見。因此，化石記錄中包含了許多有外殼、骨骼或其他堅硬部分的動物，而軟體動物則很少。幾乎沒有水母、蠕蟲或蛞蝓的化石記錄。昆蟲是迄今為止陸地上最常見的動物，但它們很少被發現為化石。因為哺乳動物的牙齒比其他骨骼更耐用，所以哺乳動物化石記錄的大部分由牙齒組成。這意味著化石記錄將顯示許多具有外殼、骨骼或其他堅硬部分的生物，並且幾乎總是會遺漏同時存在的許多軟體生物。

由於大多數腐爛和碎裂發生在地表，因此導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會被河流攜帶的沉積物埋葬。海上的風暴可能會移動海底的沉積物，覆蓋並幫助儲存骨骼遺骸。

陸地上，埋葬是罕見的，因此陸地動物和植物的化石比海洋化石少見。陸地生物可能會被泥石流或火山噴發的灰燼埋葬，或者被沙塵暴中的沙子覆蓋。骨骼也可能被湖泊、沼澤或泥炭沼澤中的泥土覆蓋。一些儲存最完好的陸地動物骨骼是在加州洛杉磯的拉布雷亞瀝青坑中發現的。雖然被困在坑中的動物可能遭受了緩慢而痛苦的死亡，但它們骨骼卻被粘稠的瀝青完美地儲存了下來。

儘管存在儲存的困難，但數十億的化石已經被數千名科學家發現、檢查和識別。化石記錄是我們瞭解地球生命史的最佳線索，也是過去氣候和地質條件的重要指標。化石記錄也對我們的生活發揮著關鍵作用。煤炭、天然氣和石油等化石燃料是由數百萬年前生活過的動植物的腐爛遺骸形成的。

化石的型別

石化可以透過多種方式發生。大多數化石透過以下五種過程之一儲存下來（圖 11.6）：儲存的遺骸、礦化作用、模具和鑄件、置換和壓縮。

儲存的遺骸

最罕見的石化形式是儲存原始骨骼材料，甚至包括軟組織。例如，昆蟲在琥珀中儲存得非常完好，琥珀是古代樹脂。在冰川中發現了幾個猛獁象甚至一位尼安德特人獵人。這些儲存的遺骸讓科學家們有機會罕見地檢查古代生物的皮膚、毛髮和器官。科學家們從這些遺骸中收集了 DNA，並將 DNA 序列與現代生物的 DNA 序列進行了比較。

礦化作用

最常見的石化方法是礦化作用。骨頭、木頭碎片或貝殼被埋在沉積物中後，可能會暴露在透過沉積物的富含礦物質的水中。這種水會將礦物質沉積到空隙中，形成化石。恐龍化石骨骼、矽化木和許多海洋化石都是透過礦化作用形成的。

模具和鑄件

在某些情況下，原始的骨頭或貝殼會溶解，在貝殼或骨頭形狀的地方留下空隙。這種凹陷稱為模具。後來，這個空間可能會被其他沉積物填充，形成與原始生物形狀相匹配的鑄件。許多軟體動物（蛤蜊、蝸牛、章魚和烏賊）通常被發現為模具和鑄件，因為它們的外殼很容易溶解。

置換

在某些情況下，原始的貝殼或骨頭會溶解，並被另一種礦物質取代。例如，最初是方解石的貝殼可能會被白雲石、石英或黃鐵礦取代。如果石英化石被方解石基質包圍，方解石可以用酸溶解，留下一個儲存完好的石英化石。

壓縮

當化石遺骸被高壓壓縮時，一些化石就會形成。這可能會留下化石的深色印記。壓縮對於樹葉和蕨類的化石最常見，但也可能發生在其他生物體中。




圖 11.6：五種化石型別：儲存在琥珀中的昆蟲、矽化木、蛤蜊貝殼的鑄模、蕨類的壓縮化石和黃鐵礦化的菊石。

特殊的儲存

一些岩層中發現了非常特殊的化石。這些岩層中的化石可能顯示出通常不會儲存下來的軟體部分的證據。最著名的兩種軟體生物儲存的例子是加拿大的伯吉斯頁岩和德國的索爾恩霍芬石灰岩。伯吉斯頁岩已有 5.05 億年的歷史，記錄了地球海洋中最早的有殼生物的爆發。許多伯吉斯頁岩化石是奇形怪狀的動物，似乎與任何其他動物群都沒有關係。索爾恩霍芬石灰岩已有 1.45 億年的歷史，包含了許多通常不會儲存下來的軟體生物的化石，例如水母。最著名的索爾恩霍芬化石是始祖鳥，是最早的鳥類之一。雖然它看起來像恐龍化石，但可以清楚地看到羽毛的印記（圖 11.7）。


圖 11.7：來自拉格施泰特的化石：始祖鳥（左）和奇蝦（右）。始祖鳥是一種早期的鳥類。奇蝦是一種巨大的掠食者（長一米），生活在 5 億年前。

指示化石和活化石

化石記錄清楚地表明，隨著時間的推移，地球上的生命發生了變化。相對年輕的岩石中的化石往往類似於今天存活的動植物。在更古老的岩石中，化石與現代生物的相似程度較低。

隨著科學家從不同的岩層和地層中收集化石，他們發現他們通常可以透過它所包含的化石組合來識別岩層。一些化石在匹配來自不同地區的岩層方面特別有用。這些化石被稱為指示化石，分佈廣泛，但只存在了相對較短的時間。當發現特定的指示化石時，該層的相對年齡就會立即確定。

許多化石可能符合指示化石的條件。菊石、三葉蟲和筆石通常被用作指示化石，各種微體化石或微觀生物的化石也是如此。在海洋上層漂浮的動物的化石特別有用，因為它們可能分佈在世界各地。

與指示化石相反，活化石是長時間存在且幾乎沒有改變的生物。例如，舌形貝腕足類動物從寒武紀一直延續到今天，時間跨度超過 5 億年！現代舌形貝動物幾乎與它們的化石對應物無法區分（圖 11.8）。


圖 11.8：舌形貝化石（左）和現代舌形貝（右）。

來自化石的線索

化石是我們關於地球生命歷史的最佳證據。此外，化石可以給我們提供有關過去氣候、板塊運動和其他主要地質事件的線索。

化石可以提供的第一個線索是環境是海洋（水下）還是陸地（陸地）。除了岩石特徵之外，化石還可以表明水是淺的還是深的，沉積速率是慢的還是快的。化石的磨損和破碎程度可以使科學家估計波浪作用的程度或風暴的頻率。

通常在高山上或高山附近發現海洋生物的化石。例如，世界上最高的山脈喜馬拉雅山脈就包含三葉蟲、腕足類動物和其他海洋生物化石。這表明海床上的岩石已經隆起形成巨大的山脈。在喜馬拉雅山脈的情況下，這種情況發生在約 4000 萬年前印度次大陸開始撞擊亞洲的時候。

化石還可以揭示有關過去氣候的線索。例如，在南極洲發現了植物化石和煤層。雖然南極洲今天是冰凍的，但在過去它一定更溫暖。這是因為地球的氣候發生了變化，而且南極洲並不總是位於南極點。

化石記錄揭示的最令人著迷的模式之一是一系列大滅絕，即許多物種滅絕的時期。雖然導致恐龍滅絕的大滅絕最為著名，但地球歷史上最大規模的滅絕發生在二疊紀末期，大約 2.5 億年前。據估計，這場災難導致地球上超過 95% 的物種滅絕！這些大滅絕的原因尚不清楚，但大多數科學家認為彗星或小行星的撞擊是至少其中一些災難的原因。

課程總結

化石是任何古代生命的遺骸。化石可以是實體化石，即生物本身的遺骸，也可以是痕跡化石，例如洞穴、足跡或其他活動證據。
作為化石儲存是一個相對罕見的現象。快速埋葬和可儲存的硬質部分（如骨骼或貝殼）的存在會增加成為化石的機會。
化石以五種方式形成：原始遺骸的儲存、礦化作用、模具和鑄模、替代和壓縮。
具有特殊化石的岩石地層被稱為對於科學家來說非常重要。它們使我們能夠看到有關生物的資訊，這些資訊我們可能永遠無法透過其他方式知道。
指示化石是分佈廣泛但只存在很短時間的化石。指示化石可以幫助科學家找到岩層的相對年齡，並將其與其他岩層匹配。
活化石是數百萬年來變化不大且今天仍存在的生物。
化石提供了有關地球生命歷史、環境、氣候、板塊運動和其他事件的線索。

複習題

哪些因素使動物更有可能被儲存為化石？
化石形成的五種主要過程是什麼？
一位科學家想要確定一塊岩石的年代。這塊岩石中包含一個指示化石和一個活化石的古老近親。哪種化石更適合對岩石進行年代測定，為什麼？
斯匹次卑爾根島位於挪威北部的北冰洋，靠近北極。在斯匹次卑爾根島的煤層中發現了熱帶水果化石。這說明了什麼？

詞彙

琥珀: 樹脂化石。
實體化石: 古代生物的遺骸。例如貝殼、骨骼、牙齒和葉子。
鑄模: 當沉積物填充模具並硬化時形成的結構，形成原始結構的複製品。
化石: 任何古代生物的遺骸或痕跡。
化石燃料: 由古代生物遺骸形成的燃料。例如煤炭、石油和天然氣。
化石化: 變成化石的過程。
指示化石: 一種化石，可以識別並顯示它所在的岩石的相對年齡。指示化石來自分佈廣泛但存在時間相對較短的物種。
活化石: 一種現代物種或屬，在地球上存在了數百萬年，幾乎沒有改變。
海洋: 屬於海洋的。
大滅絕: 一段異常大量的物種滅絕的時期。
微體化石: 必須藉助顯微鏡才能觀察的化石。
模具: 生物的硬質部分在沉積物中留下的印記。
礦化作用: 一種化石化型別，其中礦物質沉積在生物原始硬質部分的孔隙中。
陸地: 屬於陸地的。
痕跡化石: 古代生物活動的證據。例如足跡、蹤跡、洞穴、管子、鑽孔和咬痕。

值得考慮的

還有哪些神話生物的例子可能是基於化石的？
為什麼動物如此罕見地被儲存為化石？
有些生物比其他生物更容易儲存。這對研究古代生態系統的科學家來說為什麼是一個問題？
為什麼非凡化石儲存的例子對科學家來說如此寶貴？
在許多大陸的中心，遠離任何海洋，發現了許多海洋生物化石。你能從中學到什麼結論？

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