第一节生命痕迹——化石知识大拼图
1．化石研究情况
化石是地球的“记忆”，它记录了地球生物繁衍生息的生命历程。迄今为止，地球已经走过大约46亿个春秋了。
寒武纪（距今5.4亿至5.1亿年）是现代生物的开端，比人们熟悉的恐龙时代“侏罗纪”要早4亿多年。1909年在加拿大发现的寒武纪中期的布尔吉斯动物化石群，曾在世界上声名大震。今天，这一化石群已被联合国列为自然科学遗址。
1947年，在澳大利亚又发现了前寒武纪末期的埃迪卡拉动物化石群。
这两个化石群的相距时间为1.1亿年，科研人员发现，这两个物种间有着突发性变化，但是在实物上无法得到证明。80年代中国发现了填补这个空白的化石群——澄江化石群。由于澄江动物化石群恰好处在两个化石群的中间段，因此便成为寒武纪生命大爆发的一个重要的环节。
云南澄江生物化石群的发现过程，在人们心中是带有传奇色彩的，这是为什么呢？世界上，任何一处古生物化石群的发现过程，都不及云南澄江生物化石群的发现震撼人心。
1984年6月中旬，刚走出校门的中国科学院南京古生物所硕士侯先光，为了寻找曾经生存于寒武纪的高肌虫化石，便来到了云南澄江县的帽天山。这里工作条件简陋，栖身之所仅仅是一个野外地质勘查工作人员的工棚。他披星戴月，跋山涉水，来到选点寻找古生物化石。然而他苦苦寻觅了一周，什么收获也没有，不由得有些灰心泄气。
然而工夫不负有心人，侯先光在7月1日下午大约3时，无意间把鞋跟落在一片松动的岩层之上。这时，他惊奇地发现一块形状奇特却又保存完整的化石露了出来，他仔细回忆着他所学的知识，断定这块化石是寒武纪早期无脊椎动物。他大受鼓舞，接着寻找下去，就在那天一共发现了3块较为重要的化石。后来，经过进一步鉴定，认定这些化石是纳罗虫、腮虾虫和尖峰虫化石。有了这一重大发现，侯先光如同打开了所罗门的宝藏。
在日后的几天里，他又先后发现了节肢动物、水母、蠕虫等很多同期的古生物蠕虫。
回到南京之后，他和导师张文堂教授共同撰写了《纳罗虫在亚洲大陆的发现》，而且还在论文中将这一动物化石命名为“澄江动物群”。
后来，又在帽天山出土了许多古生物化石，这是古生物界从未发现的新物种。于是，中科院南京古生物所陈均远教授、西北大学舒德干教授等人也相继加入这一研究行列。没过多久，便在《自然》、《科学》等国际权威学术刊物上发表文章，向世人展示了5.3亿年前的寒武纪时期，地球生命曾在云南澄江集体暴发的这一壮观场面。
1992年，联合国教科文组织将澄江动物化石群遗址列为“全球地质遗迹东亚优先甲等第四号”。
2005年11月末，澄江化石群申报世界遗产的申请正式上报建设部。
经过22年的深入研究，古生物学界在澄江一共发现180种动物，其中的80%都是人类未知的新种类，除此之外，还有20多种痕迹化石和粪便化石。差不多现生动物的每一个门类，都能够在澄江化石群里找到它们对应的远祖代表，尤其是人类的“老祖宗”云南虫最为典型。
古生物学研究表明，在寒武纪之前（距今5.4亿年前），生命多存在于海洋之中，多以藻类和菌类的简单形式为主。寒武纪以后，在海洋里出现了大量后生动物，从单细胞藻类、菌类到多细胞后生动物演化仅仅用了1000多万年，速度非常快。而澄江动物群正是这段特殊时期生物群的真实记录。为此，澄江科技馆陈馆长是这样说的：“跟38亿年比起来，1000万年相当于一昼夜中的一分钟。”
科学家把生命快速进化例子叫做“生命大爆发”。然而，过去也有专家认为，澄江动物群的发现对于进化论来说是一种挑战。生命的大爆发似乎与达尔文的进化论相矛盾。
事实上，达尔文身处的那个时代，由于种种研究条件的约束，对生物演化的历史做出的解释并不是很全面，因而他认为进化应该是缓慢的。所以，当科学家发现在寒武纪突然出现的三叶虫时，便会认为进化论并不完全正确。
20世纪初期，大量的科学证据表明，进化的过程应该是快速的，澄江动物群就是一个典型代表。然而，科学家对澄江动物群的研究成果，并非是对达尔文的渐变论的一个挑战，仅仅是一个修正。这是由于即便是1000万年，时间也不算很短。
2．息息相关——化石和古生物学
现在我们总结一下对化石的认识。说起化石，也许对于去过自然博物馆里的人来说并不陌生。但如果问化石是怎样形成的、它有什么科学意义，恐怕知道的人就少之又少了。现在我们概括一下什么是化石。
说得简单一些，化石是古代生物死后，其遗体遗物或遗迹被埋藏在地层里，在长期的石化作用之下形成的石头。例如一条死掉的古代鱼，如果其尸体没有被其他动物吃掉，也没有被湍急的水流冲毁，恰好遇上沉积环境，例如被泥沙掩埋了起来。天长日久，几万年甚至几亿年以后，其软体部分腐烂分解，而骨头、鳍条等那些坚硬部分里面的有机质随着时间的推移被无机质（矿物质）所置换，于是就形成了化石。虽然化石的外形和原来骨骼是一样的，但其构成物质已成了矿物质，重量比原来重得多。
如此看来，化石只保存在沉积岩（也称水成岩）之中，而在火成岩、变质岩之中通常不会发现化石。这是由于火山爆发时，温度往往特别高，即使有生物遗体，也早已灰飞烟灭了。而必须在高温高压的条件下，才可能形成变质岩，因此也不可能将化石保存下来。少数在火山灰中有保存下来的化石，是由于火山灰在飘落过程中温度已经降低很多了。所以，有沉积岩分布的地方，就最容易发现化石。
比较易形成化石的是动物、植物的硬体部分。然而在一些特定的条件下，生物的软体部分也可以形成化石。例如：山东山旺组硅藻土中的花朵、触须，西伯利亚冻土中猛犸象的肌肉等。这些化石被称为遗体化石，也就是生物体本身的某部分在石化作用下形成了化石。不仅如此，动物的粪便、蛋在适宜的条件下，同样可以形成化石，被称为遗物化石；而足印、洞穴形成的化石，则被称为遗迹化石。
值得注意的是，并不是所有死去的生物都能够形成化石。能够形成化石的在古代死亡生物中仅占极小一部分，可谓凤毛麟角。而那些保存较为完好的化石，又是其中少见的一部分。化石被埋在深深的岩层之中，只有遇到地层上升的时候，或经过风吹雨打，表面的岩层被风化，化石才会露出地表。如果这时古生物学家正好来到这里进行考察，化石就有可能被挖掘出来。如果没有被发现，露出地表的化石，与其他的岩石在一起，日久天长便被风化殆尽。因此，采集一件化石是极为困难的。尤其是一件完好的化石，更是可遇不可求。所以，古生物学家才将化石视为珍宝！
在我国，由于历史原因，北京猿人第一个头盖骨标本丢失了，这是全人类不可弥补的损失。近年来，世界许多古人类学家一直在苦苦探寻这件瑰宝。
从其广义来说，只要是从地层的岩石中挖出来，能够为人类提供关于古代生物的体形或构造方面资料的东西，无论是直接的还是间接的资料，都可将其归类为化石。如果这样说的话，煤碳自然也成了化石，甚至于古人类制造和使用的原始工具也可视为化石。
古生物学，顾名思义是研究古代生物的科学。在漫长的历史中，古代生物已经死亡，化石也就成了研究古生物学的重要依据。然而化石多被埋于地层之中，因此古生物学往往离不开地质学。事实上，此门学科介于生物学和地质学之间。要想成为一名古生物学家，不仅要掌握大量的生物学知识，还要掌握一些地质学知识。另外，由于古代生物是无国界的，因此在研究本国出产的标本时，对其他国家出产的同类标本也必须有一些了解。由此看来，掌握一些外语知识也是必不可少的，所以作为一名古生物学家并没有那么轻松。
此外，往往有人将古生物学和考古学混为一谈，他们认为只要是研究古代东西的学问统称为考古学。事实上，二者的研究对象和范围还是有明显差异的。通常情况下，古生物学研究的范围是从地球上生命的出现开始，到人类出现；将生命出现以前的研究归为天文学范围，而进入人类社会之后的归为考古学范围。然而，在特定的条件下也并没有绝对界线。
3．地球的记录者——化石
人们常常把化石比成是记录地层这本书的文字，事实也真的是如此。化石不仅能够记载地球的演化历史，而且同样是生物演化历史的记载。虽然化石或多或少地会出现残缺之处，但仍能够清楚地展示出生物从简单到复杂这一进化过程。
——化石和地层的年龄
前文提到过，化石是亿万年来生物在演变过程中遗留下来的生物。化石能提供给古生物学家丰富的信息，对于研究地球生命的起源、生命的进化有着非常重大的意义。化石还是人类解开许多历史谜题的金钥匙。比如恐龙的灭绝之谜、人类的起源等。
从形成到现在，地球已经有46亿年的高龄。为了研究方便，地质学家将地球这一漫长的时间段分为4个大期，也就是4个宙。冥古宙最早，接下来是太古宙、元古宙和显生宙（6亿年以前到现在）。
显生宙共分为3个代：古生代、中生代和新生代。每代下来又分几个纪，每纪又分几个世。
要测算地球的年龄可不是件容易的事。最初，人们计算各地层的年龄只能把地层的厚薄作为依据，按照地层每增厚的米数约需的年数来计算。也可以先估算地球存活的年数，再按地层厚薄，按这一比例进行推算。19世纪中期，有人推算地球年龄不超过1亿年。
如果这一说法成立的话，组成它的各地层的年龄自然很小。这一说法不利于生物起源和生物进化的发展，这是由于1亿年虽然与神创论者所估计的6000余年相比要长得多，但繁衍出这样繁茂的生物界仍然是不可能的。20世纪30年代之后，根据同位素衰变的速度来进行计算，得出来的数据才比较准确。同位素有一定的衰变速度，这一速度不会受到环境条件（例如气候）的影响。正是由于这一特点，才可比较准确地测定出地质年代。此外，利用半衰期长短各异的同位素，同样可以测出各个新老地层和化石的历史。
——显生宙以前的化石
近年来测定的数据显示，冥古宙、太古宙和元古宙经历的时间最长，大约为40亿年。这一时期地球刚刚形成，生命可能正在发生化学进化，所以细胞形态的化石目前找不到。直到太古宙时代，地球外围开始有了大气圈和原始海洋，人类能够在这一时期的地层中发现最原始的生物化石。例如在澳大利亚找到了35亿年前的丝状体化石，据推测很可能是微生物遗体的化石。此外，科研人员还在南非沉积岩中发现了直径极小的碳质球状体和丝状体，有人将其视为原始微生物化石。在太古宙地层中还发现了许多名为叠层石的化石。这一化石的存在说明这一时期地球上已经有了原核细胞或光合自养的原核生物了。元古宙在太古宙之后，这一时期有很多叠层石。叠层石的存在说明这一时期原核生物已经很繁盛。另外，在元古宙晚期的地层中，还发现了一些化石，有人将其认为是真核生物的化石。
例如澳大利亚地区有一地层（9亿～7亿年之前），发现了保存完好的绿藻化石；在美国的白云石（8亿～6亿年前）之中发现了丝状体化石，有人将其视为藻类化石。
——显生宙的化石
第一阶段：寒武纪物种的暴发式突增。
生命在元古宙以前几乎一直是单细胞的，虽然在6亿年前出现了厄底卡拉多细胞动物区系，由于这一区系不像以后动物谱系的前体，因此将其认为是动物进化中一次独立的失败尝试。进入寒武纪后大约500万年的时间内，出现了许多无脊椎的动物化石。
这些化石显示，有些无脊椎动物的类型在后来灭绝了，而有些则是无脊椎动物的始祖类型。此外，在寒武纪地层中还发现了原始脊索动物的化石，是当时的海洋中一种浮游动物，构造简单，身体较小，背部长有一条脊索。这一化石虽然是在寒武纪地层中发现的化石之中最稀有的一种，但足以证明寒武纪时期已经出现了脊索动物。
依靠这些化石得出结论，除少数如藓虫以外，已知的动物门在寒武纪时期都已存在，而直到奥陶纪才出现了苔藓虫。但这一说法并不能因为未发现寒武纪的苔藓虫化石而得到证实，也可能只是一种假象。在整个生命的历史中，500万年是极其短暂的。
然而在这一短短的时期内，几乎是同时出现了如此之多的动物类型。这种暴发式的突增出现在寒武纪，是动物进化史任何一个时期不可相提并论的。
不同类型动物的基本躯体设计，是通过分类学中不同的“门”所反映出来的。几乎各门多细胞动物躯体的基本设计，都是在寒武纪完成的。而那些出现在寒武纪之后的发展，仅仅是在这些设计的基础上产生的变异和创新。