古老而充滿活力的古生物學(xué)

古老而充滿活力的古生物學(xué)[轉(zhuǎn)]古生物學(xué)，一門(mén)地質(zhì)學(xué)與生物學(xué)相結(jié)合的邊緣學(xué)科，是研究地質(zhì)歷史時(shí)期生命的科學(xué)。她永恒的研究主題是生命的起源和演化。她是認(rèn)識(shí)生物和地球發(fā)展史的最可靠依據(jù)，是現(xiàn)代地質(zhì)科學(xué)的重要支柱，也是進(jìn)化論和唯物主義自然觀創(chuàng)立與發(fā)展的科學(xué)依據(jù)。她在石油、天然氣、煤等化石能源及礦產(chǎn)資源的勘探與開(kāi)發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)控制生態(tài)平衡和保護(hù)人類的地球家園，正起著越來(lái)越重要的借鑒和指導(dǎo)作用。

地球作為太陽(yáng)系的獨(dú)立行星形成于55～50億年前。大約距今45億年前后，原始地殼形成，地質(zhì)時(shí)代從此開(kāi)始。生物圈的演化開(kāi)始于距今36億年左右，但直至32億年前才有了可靠的化石記錄，如非洲南部32億年前的細(xì)菌。從32億年前的細(xì)菌到今天形形色色的生命形式，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史?；粌H記錄了地球生命的起源、發(fā)展、演化、滅絕、復(fù)蘇，而且蘊(yùn)含著關(guān)于地球環(huán)境演變和地球外各種生物、物理和化學(xué)事件的大量信息。古生物學(xué)的研究具有不可估量的經(jīng)濟(jì)和理論意義。

研究對(duì)象和內(nèi)容

古生物學(xué)的研究對(duì)象是化石，即保存在巖石中的遠(yuǎn)古（一般指一萬(wàn)年以前）生物的遺體、遺跡和死亡后分解的有機(jī)物分子，分為實(shí)體化石、遺跡化石和化學(xué)化石（分子化石）三類。實(shí)體化石是指古代生物的遺體全部或部分保存下來(lái)的化石。分子化石指殘留在化石和沉積物中的古代生物有機(jī)分子。遺跡化石指古代生物在生活底質(zhì)（如沉積物）表面或內(nèi)部留下的活動(dòng)痕跡，如足跡、移跡、鉆孔生物在石質(zhì)底質(zhì)中鉆蝕的棲孔和在軟底質(zhì)中挖掘的潛穴。糞團(tuán)、糞粒、卵、珍珠、胃石等生物代謝、排泄和生殖產(chǎn)物，甚至古人類使用的石器和骨器等遺物，也稱遺跡化石。

現(xiàn)代古生物學(xué)研究?jī)?nèi)容非常廣泛，就系統(tǒng)分類而言，研究古植物的稱古植物學(xué)，研究古動(dòng)物的稱古動(dòng)物學(xué)，包括古無(wú)脊椎動(dòng)物學(xué)和古脊椎動(dòng)物學(xué)。微體古生物學(xué)研究在顯微鏡下才能看清的微小化石，其中研究古孢子與花粉的學(xué)問(wèn)叫古孢粉學(xué)；超微古生物學(xué)則研究個(gè)體特別微小（小于10微米），通常要在電子顯微鏡下進(jìn)行觀察的特小化石。

確定相對(duì)地質(zhì)年代和劃分地層

在地質(zhì)歷史時(shí)代中，生物的發(fā)展演化是整個(gè)地球發(fā)展演化最重要的方面之一。隨著時(shí)間的推移，生物界的發(fā)展從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜。不同類別、不同屬種生物的出現(xiàn)，有著一定的先后次序。在演化過(guò)程中，已有的生物或演化為更高級(jí)的門(mén)類、屬種，或滅絕而不再出現(xiàn)。這種不可逆的生物發(fā)展演化過(guò)程，大都記錄在從老到新的地層中。在不同地質(zhì)歷史時(shí)期所形成的地層內(nèi)，保存著不同的化石類群或組合，每一地質(zhì)時(shí)期的地層中都保存著該地質(zhì)時(shí)期所特有的化石，這就是史密斯（W.

Smith）的“生物層序律”?；诘貙又械姆植紝有蚯宄赜涗浟擞猩锘涗浺詠?lái)的地球發(fā)展歷史。

根據(jù)生物演化的階段性和不可逆性，地球歷史由老到新被劃分為大小不同的演化階段，構(gòu)成了不同等級(jí)的地質(zhì)年代單位。最大的地質(zhì)年代單位是宙，整個(gè)地球地質(zhì)歷史被劃分太古宙、元古宙和顯生宙。太古宙最為古老，是生命起源和原核生物進(jìn)化的時(shí)期。元古宙是原始真核生物演化的時(shí)代。顯生宙時(shí)，后生植物和動(dòng)物大量發(fā)生、發(fā)展。顯生宙被劃分為三個(gè)代，依次為古生代、中生代和新生代。代以下依次還有紀(jì)和世，每個(gè)世又被分為若干個(gè)期。每個(gè)期包括一個(gè)或幾個(gè)化石帶，時(shí)間跨度為數(shù)百萬(wàn)年，是地質(zhì)年代的基本單位。

每一地質(zhì)年代都有地層形成，因此每一地質(zhì)年代單位都有相應(yīng)的年代地層單位。地質(zhì)年代單位宙、代、紀(jì)、世、期所對(duì)應(yīng)的年代地層單位分別為宇、界、系、統(tǒng)、階。地層是研究地球發(fā)展規(guī)律的物質(zhì)基礎(chǔ)，地層學(xué)就是研究地層在時(shí)間和空間上的發(fā)展和分布規(guī)律。古生物學(xué)的方法是目前地層學(xué)研究地層劃分和對(duì)比的行之有效的主要方法。

由于不同年代的地層中保存著不同的特征化石或化石組合，因此不同時(shí)代的地層就可以被識(shí)別出來(lái)，不同地區(qū)但時(shí)代相當(dāng)?shù)牡貙泳涂上嗷?duì)比。這種不同地區(qū)的地層劃分和對(duì)比，對(duì)尋找地下資源及選擇建筑地基等有著重要的意義。

研究生命的起源和演化

化石是生命的記錄。通過(guò)對(duì)各地、各時(shí)代化石的不斷發(fā)現(xiàn)和挖掘，利用生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)等知識(shí)對(duì)化石形態(tài)、構(gòu)造、化學(xué)成分、分類、生活方式和生活環(huán)境的不斷研究，地球有生物圈以來(lái)，特別是后生生物出現(xiàn)以來(lái)，千變?nèi)f化的古代生物就可被逐步認(rèn)識(shí)，古代生物的形態(tài)就能得到復(fù)原，古代的生物世界就能被栩栩如生地再現(xiàn)，古代生物在全球上的地質(zhì)地理分布就能不斷得到揭示，古代生物的系統(tǒng)分類或譜系就可逐步完善起來(lái)。

從老到新的地層中所保存的化石，清楚地揭示了生命從無(wú)到有、生物構(gòu)造由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、門(mén)類由少到多、與現(xiàn)生生物的差異由大到小、從低等到高等的生物演化的壯麗圖卷：細(xì)菌—藻類—裸蕨—裸子植物—被子植物的植物演化、無(wú)脊椎—脊椎動(dòng)物的動(dòng)物演化、以及魚(yú)類—兩棲類—爬行類—哺乳類—人類的脊椎動(dòng)物演化規(guī)律。我國(guó)貴州前寒武紀(jì)甕安生物群（距今約5.8億年）、云南寒武紀(jì)澄江生物群（距今約5.4億年），以及遼西中生代晚期恐龍、鳥(niǎo)類、真獸類和被子植物的發(fā)現(xiàn)，為早期無(wú)脊椎動(dòng)物、脊椎動(dòng)物、鳥(niǎo)類和被子植物的演化提供了珍貴的新材料。

生命起源是科學(xué)的基本問(wèn)題之一。一百多年前，恩格斯就指出“生命是蛋白體的存在方式”。蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)與功能是認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)由20種不同氨基酸組成，這些氨基酸大部分已在化石中找到。研究前寒武紀(jì)地層中的化學(xué)化石和微體化石，對(duì)于探索生命起源具有特別重大的意義。在前寒武紀(jì)地層中，特別是在前寒武紀(jì)燧石層中，已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了各種化學(xué)化石和微體化石。如南非距今37億年的前寒武紀(jì)地層中曾發(fā)現(xiàn)顯示非生物演化和生物演化中間階段性質(zhì)的有機(jī)物，距今32億年的前寒武紀(jì)地層中發(fā)現(xiàn)有植物色素的分解產(chǎn)物，說(shuō)明生物在那時(shí)就已開(kāi)始進(jìn)行光合作用。美國(guó)明尼蘇達(dá)州距今27億年的前寒武紀(jì)地層中，發(fā)現(xiàn)有現(xiàn)代藍(lán)藻類念球藻（Nostoc）所含的特征分子7－甲基17烷和8－甲基17烷，說(shuō)明27億年前就有了與現(xiàn)代藍(lán)藻類念球藻屬類似的藍(lán)藻。

地外星體（如火星）上有無(wú)生命或是否出現(xiàn)過(guò)生命，是當(dāng)今科學(xué)家們既感興趣又覺(jué)困惑的一大難題。通過(guò)對(duì)隕石或從諸如火星等星球上獲取的“巖石”或“土壤”材料中有機(jī)大分子或化石有機(jī)大分子的存在與否的測(cè)試和研究，這一科學(xué)問(wèn)題一定能得到最終的結(jié)論。

重建古環(huán)境、古地理和古氣候

各種生物都生活在特定的環(huán)境中，因而生物的身體結(jié)構(gòu)和形態(tài)能反映不同生活環(huán)境的特征。珊瑚、腕足類、頭足類、棘皮動(dòng)物等是海洋生物，河蚌類、鱷類是河流或湖泊淡水生物，松柏類則為陸地生物。陸生植物和海洋生物的脂肪酸組成有別。大多數(shù)生物活動(dòng)遺跡出現(xiàn)在濱?；蚝础⒑恿鹘兜貛А，F(xiàn)代海洋中藻類生活的海水深度常隨種類不同而深淺不一，如綠藻和褐藻生長(zhǎng)于沿岸的上部，水深20～30米處以褐藻為主，80～200米處則紅藻最多。現(xiàn)代珊瑚生長(zhǎng)在水溫18℃以上陽(yáng)光充足的海水中，猛瑪象生活于寒冷地帶，貝殼灘形成于海濱或湖濱?；亩ㄏ蚺帕谢蚨ㄏ驈澢甘局裨釙r(shí)的水流方向，再沉積的化石指示了水下或風(fēng)暴搬運(yùn)等活動(dòng)。由植物形成的厚層煤，一般標(biāo)志著一種濕熱的氣候。

生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)（珊瑚的生長(zhǎng)環(huán)、雙殼綱的生長(zhǎng)層、樹(shù)木的年輪、疊層石的薄層理等）記錄了氣候的季節(jié)性變化。生物體（如箭石）中的氧同位素含量是可靠的地史溫度計(jì)，而貝殼化石的蛋白質(zhì)含量則反映古氣候的濕度狀況。一些化石的生長(zhǎng)線上還儲(chǔ)存有生物產(chǎn)卵期和古風(fēng)暴頻率的信息。

因此，遵循“將今論古”的原則，可依據(jù)化石重建不同地質(zhì)時(shí)代的大陸、海洋、深海、淺海、海岸線、湖泊甚至河流的分布，了解水體含鹽度和大陸、湖泊、海洋底部的地形，恢復(fù)古代氣候，揭示古地理和古氣候的滄桑變遷。

魏格納（A.

Wegener）20世紀(jì)初提出的大陸漂移假說(shuō)認(rèn)為，北美與歐亞大陸曾連在一起，即勞亞大陸（北古大陸）；南極洲、澳大利亞、印度、非洲及南美洲連在一起，為岡瓦納大陸（南古大陸）；南、北古大陸之間被特提斯洋（古地中海）分隔，它們?cè)谥猩怏w后，各陸塊才漂移到了現(xiàn)在的位置。

古生物學(xué)為大陸漂移、板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的驗(yàn)證和建立提供了有力的證據(jù)，比如舌羊齒（Glossopteris）類植物廣布于南美洲、非洲、南極洲、澳大利亞和印度的石炭紀(jì)—二疊紀(jì)地層中，淡水爬行動(dòng)物中龍（Mesosaurus）產(chǎn)于南美和非洲早二疊世地層。非海相動(dòng)物水龍獸（Lystrosaurus）主要分布于岡瓦納大陸，但也見(jiàn)于我國(guó)新疆和包括俄羅斯烏拉爾在內(nèi)的東歐等其他陸塊的二疊紀(jì)末—早三疊世地層中，說(shuō)明二疊紀(jì)時(shí)岡瓦納大陸確實(shí)存在，但已向北漂移，與勞亞大陸相連而形成貫通南北極的聯(lián)合大陸。

分隔南北古大陸的特提斯洋在中國(guó)境內(nèi)沿喀喇昆侖山口—龍木錯(cuò)—玉樹(shù)—金沙江—昌寧—雙江—孟連一線穿過(guò)。在藏北可可西里古特提斯縫合帶，蛇綠巖基質(zhì)硅質(zhì)巖中放射蟲(chóng)化石和縫合帶蓋層中、牙形刺、有孔蟲(chóng)和鈣藻化石的發(fā)現(xiàn)，證明了古特提斯洋開(kāi)始于早石炭世韋憲期(Viséan)或更早，閉合于晚二疊世早期開(kāi)匹坦期(Capitanian)。

解釋地質(zhì)構(gòu)造

對(duì)地層中生物組合面貌在縱向和橫向上的變化的研究，有助于對(duì)地殼運(yùn)動(dòng)的升降幅度的研究。

例如現(xiàn)代的造礁珊瑚在海水深20～40米的較淺水區(qū)內(nèi)繁殖最快，水深超過(guò)90米就不能生存，向上越出水面生長(zhǎng)就停止。只有在海底連續(xù)下陷情況下珊瑚礁才能連續(xù)地生長(zhǎng)，因此珊瑚礁巖層的厚度可以用作研究地殼沉降幅度的依據(jù)。又如在希夏邦馬峰北坡海拔5000米處的第三紀(jì)末期黃色砂巖里，曾找到高山櫟（Quercus

semicarpifolia）和黃背櫟（Quercus

pannosa）化石，這種植物現(xiàn)今仍生長(zhǎng)在海拔約2500米的喜馬拉雅山南坡干濕交替的常綠闊葉林中，與化石產(chǎn)地的高差達(dá)3400米之多。由此推測(cè)，希夏邦馬地區(qū)在第三紀(jì)末期以來(lái)的200多萬(wàn)年里，上升了約3000米。再如青?？煽晌骼锖０渭s5000米的漢臺(tái)山和康特金等地，發(fā)現(xiàn)了深海相的石炭紀(jì)—二疊紀(jì)放射蟲(chóng)化石，在海拔約5300米的烏蘭烏拉山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了淺海－濱海相侏羅紀(jì)雙殼類化石。由此可知，在這些化石沉積之后，該地區(qū)地殼上升了至少5000～6000米。

化石還可以用來(lái)確定巖層的頂?shù)装?、斷層的性質(zhì)以及斷距等。采用變形的化石來(lái)確定巖石變形“應(yīng)變橢球”的長(zhǎng)軸和短軸以及長(zhǎng)軸定向，比利用礫石變形來(lái)解決這類應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題更方便更準(zhǔn)確。

觀化石而知天地

對(duì)各地質(zhì)時(shí)代化石，特別是珊瑚、雙殼類、頭足類、腹足類和疊層石的生長(zhǎng)節(jié)律（生活環(huán)境的周期變化，引起生物的生理和形態(tài)的周期性變化）或古生物鐘的研究，能為地球物理學(xué)和天文學(xué)研究提供有價(jià)值的依據(jù)。很多生物的骨骼生長(zhǎng)都表現(xiàn)明顯的日、月、年等周期，如珊瑚生長(zhǎng)紋代表一天的周期?，F(xiàn)生珊瑚一年約有360圈生長(zhǎng)紋，而石炭紀(jì)珊瑚一年有385～390圈，泥盆紀(jì)385～410圈，說(shuō)明泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)一年的天數(shù)要比現(xiàn)代多。利用古生物骨骼的生長(zhǎng)周期特征，還可推算出地質(zhì)時(shí)代中一個(gè)月的天數(shù)和每天的小時(shí)數(shù)。如中泥盆世平均每月為30.6天，早石炭世30.5天，比現(xiàn)代（29.5天）約多一天；寒武紀(jì)每天20.8小時(shí)，泥盆紀(jì)21.6小時(shí)，石炭紀(jì)21.8小時(shí)，三疊紀(jì)22.4小時(shí)，白堊紀(jì)23.5小時(shí)。這說(shuō)明地球自轉(zhuǎn)速度在逐漸變慢。同樣，據(jù)化石生長(zhǎng)線的研究還可知道，地球自轉(zhuǎn)周期變慢速度是不均勻的，石炭紀(jì)到白堊紀(jì)變慢速度很小，而白堊紀(jì)以后明顯增強(qiáng)。這些研究結(jié)果與天文學(xué)家的推算結(jié)論吻合。

知道了地質(zhì)時(shí)代每年天數(shù)的變化，就可利用化石生長(zhǎng)線顯示的每年天數(shù)，反過(guò)來(lái)確定其地質(zhì)時(shí)代。這種測(cè)年方法要比放射性衰變法方便，因?yàn)樗鼪](méi)有化學(xué)變化和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定時(shí)產(chǎn)生的誤差。另外，很多海洋生物在生理上與月球運(yùn)轉(zhuǎn)或潮汐周期有聯(lián)系。對(duì)古生物鐘的研究可提供月、地系統(tǒng)演變的資料。

沉積礦產(chǎn)的成因及利用

有些沉積巖和沉積礦產(chǎn)本身就是生物直接形成的，如煤是由大量植物不斷堆積埋葬而成，石油、油頁(yè)巖的形成也直接與生物有關(guān)。很多碳酸鹽巖油田與生物礁相關(guān)，硅藻土由大量的硅藻硬殼堆積而成，有孔蟲(chóng)石灰?guī)r由有孔蟲(chóng)形成，介殼石灰?guī)r由貝殼形成，藻類灰?guī)r由藻類形成。動(dòng)植物的有機(jī)體還常富集銅、鈷、鈾、釩、鋅、銀等礦質(zhì)元素。現(xiàn)代海水的銅含量?jī)H有0.001％，但不少軟體動(dòng)物和甲殼動(dòng)物能大量地濃縮銅。含有濃縮礦物元素的古生物大量死亡、堆積、埋葬，就可能形成含礦層。細(xì)菌在很多方面影響沉積作用，是一個(gè)重要的地質(zhì)作用因素，也是地殼地球化學(xué)循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。細(xì)菌化石對(duì)沉積巖和沉積礦產(chǎn)的成因研究非常重要。

中國(guó)所有大中型煤田、油田、油氣田甚至沉積鐵礦等的勘探與開(kāi)發(fā)，均離不開(kāi)古生物學(xué)的研究和指導(dǎo)。

滅絕研究與地球保護(hù)

生物的起源、發(fā)展和演化經(jīng)歷了漫長(zhǎng)和極端艱難坎坷的歷程。根據(jù)化石記錄，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球上曾發(fā)生過(guò)六次大的和無(wú)數(shù)次中、小規(guī)模的生物滅絕（集群滅絕）事件。六次大的滅絕事件發(fā)生的時(shí)間為寒武紀(jì)末、奧陶紀(jì)末、泥盆紀(jì)晚期、二疊紀(jì)末、三疊紀(jì)末和白堊紀(jì)末。

造成生物集群滅絕的原因很多，如地外星體撞擊地球、火山活動(dòng)、氣候變冷或變暖、海進(jìn)或海退（海平面上升或下降）和缺氧等。每次大的滅絕事件，都能在相對(duì)短時(shí)期內(nèi)造成80％～90％以上的物種滅絕。但是，少數(shù)生命力或逃逸能力強(qiáng)的物種能夠忍受災(zāi)變?cè)斐傻臉O端惡劣的環(huán)境，或逃離災(zāi)區(qū)至異地避難而留存下來(lái)。同時(shí)，災(zāi)變引起的環(huán)境變化也給新物種的誕生創(chuàng)造了條件和機(jī)遇。大滅絕期間幸存的和新生的物種在滅絕事件后開(kāi)始復(fù)蘇和發(fā)展，并進(jìn)而開(kāi)創(chuàng)生物演化的新篇章，因此每次全球性的滅絕事件后，都伴隨著生物的復(fù)蘇和發(fā)展。

通過(guò)對(duì)滅絕原因和滅絕后的復(fù)蘇控制因素的研究，地質(zhì)古生物學(xué)者將能揭示出更多的生物起源與演化規(guī)律，并為人類控制生態(tài)平衡和