第一个条件:死后迅速被掩埋
生物死亡后若长时间暴露在空气中,大多会腐烂或被其他动物吃掉而消失,因此若要形成化石,首先必须迅速被泥土或沙子掩埋。曾经生活在地球上的生物中,实际能留下化石的比例极其微小。死亡后须立即被迅速掩埋于氧气稀少、微生物活动缓慢的环境中,如洪水、火山灰或河床沉积物,才能避免腐烂和分解,进而才有可能进入下一阶段——矿化过程。
矿物置换(石化)——最广为人知的化石化方式
溶解在地下水中的矿物成分渗入骨骼或木质组织的空隙并凝固,使其在保留原有形态的同时变得如石头般坚硬的过程。当矿物质丰富的地下水缓慢渗入埋藏在地下的遗骸空隙中,其中的硅酸盐或碳酸钙成分会结晶,填满组织的微小缝隙。这一过程经过极其漫长的时间不断重复后,原有的有机物质会被矿物完全置换而消失,只留下其形态如石头般坚硬地保存下来,整株树木变成石头的硅化木便是其代表实例。
模具化石与铸型化石——只留下形状的化石
生物体完全分解消失,而留在原处的空腔形状,或重新填满该空腔的矿物形状,作为化石保留下来的情况。当沉积物中的生物体完全溶解消失后,原地会留下一个仿照其原有形态的空腔,这被称为模具化石(印模化石)。此后,若该空腔被其他矿物填满并凝固,就会形成再现原生物外观的铸型化石。这种方式在贝类、三叶虫等拥有坚硬外壳的生物中尤为常见。
被封存在琥珀中的昆虫化石
由树木渗出的黏稠树脂包裹住昆虫或其他小型生物后凝固而形成的化石,常常能将腿部、翅膀等细微结构以接近原貌的状态保存下来。当活着的昆虫被困于树液中无法逃脱、随后树液凝固时,在隔绝空气与微生物的环境中,即便经过漫长岁月,其形态也几乎能够保持不变。这类琥珀化石作为珍贵资料被加以研究,因为它能让人观察到其他方式难以保存的软组织或细微表面结构。
因冷冻或干燥而整体保存下来的化石
当生物冻结于极地永久冻土之中,或在极度干燥的环境中水分迅速蒸发时,不仅骨骼,连皮肤、毛发等软组织也可能得到异常良好的保存。就像在西伯利亚永久冻土中发现的猛犸象那样,被封存在冰中会使引发腐烂的微生物活动几乎停止,因此有时肉体和毛发都能保留下来。相反,在沙漠等极度干燥的地区,水分迅速流失会使组织以木乃伊般干燥的状态保存下来。这两种情况都能提供比仅剩骨骼的一般化石多得多的信息。
标准化石与相化石的区别
在广阔区域内短期生存过的生物化石,可作为标准化石用来判断地层的年代;而只在特定环境中生存过的生物化石,则可作为相化石用来了解当时的环境。标准化石由于地理分布广泛而生存期短,因此即便是发现同一化石的地层彼此相距甚远,也可以推断它们是在相近的时期沉积形成的。而相化石则是只能在特定水温、水深或气候条件下生存的生物化石,可作为推测该地层沉积时期环境的线索加以利用。
化石记录的局限性——保存偏差
拥有坚硬骨骼或外壳的生物,比只有柔软身体的生物更容易形成化石,因此化石记录只是展示过去生态系统一部分的不完整资料。像水母、蚯蚓这类没有坚硬组织的生物,除非在极其特殊的条件下,否则几乎不会以化石形式保留下来。因此,学者们在解读时始终会考虑到,化石记录并不能展现过去实际存在过的生物多样性全貌,而是偏向于那些具备有利于化石化条件的部分生物的资料。
如何得知化石的年代
可以通过含有化石的地层上下关系推断其相对顺序,也可以利用周边火山岩中放射性同位素的衰变速率,计算出更具体的绝对年代。基本上,地层是下层先沉积、上层后沉积,因此仅凭化石发现地层的上下位置,便可大致了解其先后顺序。此外,利用化石层附近的火山灰或火成岩中所含放射性同位素以恒定速率衰变的特性,还可以推算出更为精确的绝对年代。