原创 徐星
化石是地球生命历史复原的主要证据之一，它涵盖地球生命演化的各个时期，蕴含着极为丰富的信息。我们如何从化石中窥见地球生命历史的演进？中华大地有哪些讲述地球演化历程的精美化石？请与我们一起阅读这篇文章，了解历史的揭秘者——化石。
了解人类历史，主要基于语言记录和文物遗存。前者相对全面，但有主观性；后者直接，但不够系统。地球生命历史复原有些类似，主要证据有类似语言记录的脱氧核糖核酸和类似文物遗存的化石。
脱氧核糖核酸存储于每个生物体中，数据量庞大，就像一本天书，不仅为生物体形成提供蓝图，而且还隐藏着生物体祖先的秘密。不过，基于脱氧核糖核酸数据复原的生命历史涵盖范围有限，而且生命演化的复杂性常常导致脱氧核糖核酸数据的扭曲，有时会指示错误的生命历史。相对而言，化石是生命历史的直接证据，大尺度上涵盖地球生命演化各个时期。化石能够记录许多脱氧核糖核酸无法涵盖的信息，但从数据量的角度来看，化石记录不完备，记录信息有限，存在天然缺陷。尽管如此，我们依然能够从化石当中窥见地球生命历史的过程。
化石最具特色之处在于能够记录灭绝生物的存在。在地球生命演化历史过程中，新物种的出现固然重要，但老物种的消失也是一个必然组成部分。有人推测，从约40亿年前第一种生命的出现一直到现在，地球历史上出现的物种总数有50亿种之多，但现存物种只有约1000万种，因此绝大多数出现过的物种都已经灭绝了，它们的信息只能通过化石进行复原。
如果没有化石，我们无法知晓地球上曾经存在过许多我们完全无法想象的生物，像五六亿年前形态奇特的埃迪卡拉生物，像体披甲板的早期鱼形动物，像中生代时期游弋在海洋中的鱼龙和蛇颈龙、翱翔在天空中的翼龙，以及遍布各个大陆的恐龙，还有才灭绝不久的猛犸象和剑齿虎。除了这些奇怪的灭绝生物，更多的是和现存物种亲缘关系密切的灭绝物种，像和我们现代人极其相似的尼安德特人、生活在亿万年前的蚂蚁和蜜蜂，以及美丽的银杏在恐龙时期的近亲，这些灭绝生物构成了整个生命演化之树的绝大部分，它们的基因显然为现代生物多样性的形成作出了贡献。灭绝生物和我们现存生物的关系、灭绝生物退出历史舞台的原因、灭绝生物给未来生态系统的启迪等这些重要问题的答案，都需要通过化石的研究去解析。
根据1938年发现的尼安德特人男孩头骨化石复原的三维头像
吉林大学生物考古团队运用数字化三维人像复原技术，依据尼安德特人男孩头骨化石，复原出的“小男孩”形象
化石不仅能够记录灭绝生物的存在，还能帮助我们了解沧海桑田这样的海陆变迁历史，甚至能够帮助我们了解大陆漂移的历史。在小时间尺度上，人类可以通过气温变化和大气湿度变化，感受到地球环境的变化，像沙漠的形成和冰原的消失；在大时间尺度上，地球的变化远远超出了我们人类的直接感知，这就需要化石的帮助。北宋学者沈括在《梦溪笔谈》中记录了内陆地区的贝壳化石，显现了海岸线内迁了千里之远。喜马拉雅鱼龙化石的发现更是凸显了这种海陆变迁的极端性：曾经的海洋现在居然成了世界屋脊。
地球变化不仅涉及地形地貌的变化，而且会发生在更大地理尺度上。我们今天去大洋洲、南极洲，或者其他一些大陆，需要越过大洋，但在地球历史的某些阶段，地球陆地是一体的，比如两亿多年前的三叠纪时期，地球上就只有一个超级大陆，名叫泛大陆。由于这个原因，生活在当时大陆上的一些生物非常相似，呈现了全球一致性。后来，泛大陆开始解体，先是北美和非洲大陆之间分裂，后来是其他大陆之间的分裂以及大陆之间的相互远离，并伴随着一些大陆的旋转，最终形成了今天的大陆格局。对于化石的研究者来说，不同区域的化石发现能够帮助他们复原大陆漂移的历史。化石和其他地质记录告诉我们，华夏大地的不同区域也曾经被海水分割，今天的一体化是地球长期演化的结果；化石和其他地质记录甚至告诉我们，曾经位于赤道地区的陆块后来漂移到极地地区，或者相反。大陆漂移显然影响了全球的生物面貌，比如，中生代时期恐龙动物群面貌的变化就受到了泛大陆解体的影响，我们今天在大洋洲看到的独特生物面貌就和大陆分离与漂移过程紧密相关。
保存在地球各大陆地层当中的化石一起形成了一部天然史书，记录了地球演化的历史。化石记录告诉我们，海洋是地球早期历史的主要舞台，那时的生物是厌氧生物，但约35亿年前，甚至更早时期，蓝细菌通过光合作用在浅海中产生氧气，大约24亿年前，氧气开始在大气中积累，在约20亿年前，氧气浓度达到当今水平的约10%，到八亿多年前，大气圈之中的氧气浓度再次大幅上升，最终达到了当今地球大气圈的氧气含量，在某些地质历史时期，大气氧含量甚至超过了当今水平。地质记录告诉我们，早期生物的演化不仅是一个适应环境的过程，更是一个改造环境的过程。生物的光合作用不仅改变了大气组成，也给自身带来了变化：真核生物出现，有性繁殖和多细胞生物出现，动物和植物出现，这一切变化都和氧气浓度的变化密切相关。生物对环境的改造不仅体现在氧气和二氧化碳等气体在大气圈中含量的变化上，还体现在其他方面，比如，陆地生物的繁盛，尤其是陆地植物的繁盛，改造了地表形态和面貌，造就了生物生存的新环境；再比如，长期的物理化学过程让生物体的化学组分融入地表，甚至能够深入地下，影响了地球深部的化学组成。
这部古老的史书有些篇章描述详尽，有些篇章记录粗浅，有些页码保存精美，有些页码损毁严重。中华大地有幸贡献了一些华美篇章，展现了地球演化历史当中的许多精彩故事。云南帽天山保存的精美化石告诉我们五亿多年前寒武纪生命大爆发的故事，呈现了我们熟悉的各类生物出现不久时的面貌；四亿多年前志留纪早期的重庆生物群见证了早期脊椎动物的演化，见证了对于我们生存极其重要的一些重要器官结构的出现；云南曲靖三亿多年前的泥盆纪鱼类为我们讲述了四足动物登上陆地之前的精彩故事；通过研究浙江煤山2.5亿多年前二叠纪末期的化石和地层，我们现在能够精确复原地球宏体生物演化历史过程中最大一次生物灭绝事件的过程；生活在1.2亿多年前的辽宁西部及其周边地区的热河生物群为我们展示了“鸟语花香”的现代陆地生态系统的雏形；新生代时期华夏大地上的各种化石更是见证了青藏高原的隆起、哺乳动物家族的繁盛，见证了人类的演化。这些化石成为中国古生物学研究的基础，助力中国古生物学成为中国基础科学研究的一道亮丽风景，成为世界上各类生物学和地球科学教材的一个越来越重要的组成部分，为世界知识体系的构建添砖加瓦，作出贡献。
以帽天山澄江动物化石群为依据的寒武纪生态复原图 ， 来源：中国科学院南京地质古生物研究所
化石常常并不精美，化石记录并不完备，化石的解读也会存在争议，但这并不妨碍化石成为历史的揭秘者，成为历史的见证者，成为我们了解地球历史的永恒的信息来源。
