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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Geography
标  题: 古老而充满活力的古生物学zz
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Thu Apr 21 13:47:28 2005)

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古老而充满活力的古生物学
沙金庚
  古生物学，一门地质学与生物学相结合的边缘学科，是研究地质历史时期生命的科学。
她
永恒的研究主题是生命的起源和演化。她是认识生物和地球发展史的最可靠依据，是现代
地
质科学的重要支柱，也是进化论和唯物主义自然观创立与发展的科学依据。她在石油、天
然
气、煤等化石
能源及矿产资源的勘探与开发中有着广泛的应用，对控制生态平衡和保护人类的地球家园
，
正起着越来越重要的借鉴和指导作用。

   地球作为太阳系的独立行星形成于55～50亿年前。大约距今45亿年前后，原始地壳形成

，地质时代从此开始。生物圈的演化开始于距今36亿年左右，但直至32亿年前才有了可靠
的
化石记录，如非洲南部32亿年前的细菌。从32亿年前的细菌到今天形形色色的生命形式，
经
历了漫长的地质
历史。化石不仅记录了地球生命的起源、发展、演化、灭绝、复苏，而且蕴含着关于地球
环
境演变和地球外各种生物、物理和化学事件的大量信息。古生物学的研究具有不可估量的
经
济和理论意义。

   研究对象和内容

   古生物学的研究对象是化石，即保存在岩石中的远古（一般指一万年以前）生物的遗体

、遗迹和死亡后分解的有机物分子，分为实体化石、遗迹化石和化学化石（分子化石）三
类
。实体化石是指古代生物的遗体全部或部分保存下来的化石。分子化石指残留在化石和沉
积
物中的古代生物
有机分子。遗迹化石指古代生物在生活底质（如沉积物）表面或内部留下的活动痕迹，如
足
迹、移迹、钻孔生物在石质底质中钻蚀的栖孔和在软底质中挖掘的潜穴。粪团、粪粒、卵
、
珍珠、胃石等生物代谢、排泄和生殖产物，甚至古人类使用的石器和骨器等遗物，也称遗
迹
化石。

   现代古生物学研究内容非常广泛，就系统分类而言，研究古植物的称古植物学，研究古

动物的称古动物学，包括古无脊椎动物学和古脊椎动物学。微体古生物学研究在显微镜下
才
能看清的微小化石，其中研究古孢子与花粉的学问叫古孢粉学；超微古生物学则研究个体
特
别微小（小于10
微米），通常要在电子显微镜下进行观察的特小化石。

   确定相对地质年代和划分地层

   在地质历史时代中，生物的发展演化是整个地球发展演化最重要的方面之一。随着时间

的推移，生物界的发展从低级到高级，从简单到复杂。不同类别、不同属种生物的出现，
有
着一定的先后次序。在演化过程中，已有的生物或演化为更高级的门类、属种，或灭绝而
不
再出现。这种不
可逆的生物发展演化过程，大都记录在从老到新的地层中。在不同地质历史时期所形成的
地
层内，保存着不同的化石类群或组合，每一地质时期的地层中都保存着该地质时期所特有
的
化石，这就是史密斯（W. Smith）的“生物层序律”。化石在地层中的分布层序清楚地记
录
了有生物化石
记录以来的地球发展历史。

   根据生物演化的阶段性和不可逆性，地球历史由老到新被划分为大小不同的演化阶段，

构成了不同等级的地质年代单位。最大的地质年代单位是宙，整个地球地质历史被划分太
古
宙、元古宙和显生宙。太古宙最为古老，是生命起源和原核生物进化的时期。元古宙是原
始
真核生物演化的
时代。显生宙时，后生植物和动物大量发生、发展。显生宙被划分为三个代，依次为古生
代
、中生代和新生代。代以下依次还有纪和世，每个世又被分为若干个期。每个期包括一个
或
几个化石带，时间跨度为数百万年，是地质年代的基本单位。

   每一地质年代都有地层形成，因此每一地质年代单位都有相应的年代地层单位。地质年

代单位宙、代、纪、世、期所对应的年代地层单位分别为宇、界、系、统、阶。地层是研
究
地球发展规律的物质基础，地层学就是研究地层在时间和空间上的发展和分布规律。古生
物
学的方法是目前
地层学研究地层划分和对比的行之有效的主要方法。

   由于不同年代的地层中保存着不同的特征化石或化石组合，因此不同时代的地层就可以

被识别出来，不同地区但时代相当的地层就可相互对比。这种不同地区的地层划分和对比
，
对寻找地下资源及选择建筑地基等有着重要的意义。

   研究生命的起源和演化

   化石是生命的记录。通过对各地、各时代化石的不断发现和挖掘，利用生物学和地质学

等知识对化石形态、构造、化学成分、分类、生活方式和生活环境的不断研究，地球有生
物
圈以来，特别是后生生物出现以来，千变万化的古代生物就可被逐步认识，古代生物的形
态
就能得到复原，
古代的生物世界就能被栩栩如生地再现，古代生物在全球上的地质地理分布就能不断得到
揭
示，古代生物的系统分类或谱系就可逐步完善起来。

   从老到新的地层中所保存的化石，清楚地揭示了生命从无到有、生物构造由简单到复杂

、门类由少到多、与现生生物的差异由大到小、从低等到高等的生物演化的壮丽图卷：细
菌
—藻类—裸蕨—裸子植物—被子植物的植物演化、无脊椎—脊椎动物的动物演化、以及鱼
类
—两栖类—爬行
类—哺乳类—人类的脊椎动物演化规律。我国贵州前寒武纪瓮安生物群（距今约5.8亿年）

、云南寒武纪澄江生物群（距今约5.4亿年），以及辽西中生代晚期恐龙、鸟类、真兽类和

被子植物的发现，为早期无脊椎动物、脊椎动物、鸟类和被子植物的演化提供了珍贵的新
材
料。

   生命起源是科学的基本问题之一。一百多年前，恩格斯就指出“生命是蛋白体的存在方

式”。蛋白质和核酸的结构与功能是认识生命现象的基础。蛋白质由20种不同氨基酸组成
，
这些氨基酸大部分已在化石中找到。研究前寒武纪地层中的化学化石和微体化石，对于探
索
生命起源具有特
别重大的意义。在前寒武纪地层中，特别是在前寒武纪燧石层中，已陆续发现了各种化学
化
石和微体化石。如南非距今37亿年的前寒武纪地层中曾发现显示非生物演化和生物演化中
间
阶段性质的有机物，距今32亿年的前寒武纪地层中发现有植物色素的分解产物，说明生物
在
那时就已开始
进行光合作用。美国明尼苏达州距今27亿年的前寒武纪地层中，发现有现代蓝藻类念球藻
（
Nostoc）所含的特征分子7－甲基17烷和8－甲基17烷，说明27亿年前就有了与现代蓝藻类
念
球藻属类似的蓝藻。

   地外星体（如火星）上有无生命或是否出现过生命，是当今科学家们既感兴趣又觉困惑

的一大难题。通过对陨石或从诸如火星等星球上获取的“岩石”或“土壤”材料中有机大
分
子或化石有机大分子的存在与否的测试和研究，这一科学问题一定能得到最终的结论。

   重建古环境、古地理和古气候

   各种生物都生活在特定的环境中，因而生物的身体结构和形态能反映不同生活环境的特

征。珊瑚、腕足类、头足类、棘皮动物等是海洋生物，河蚌类、鳄类是河流或湖泊淡水生
物
，松柏类则为陆地生物。陆生植物和海洋生物的脂肪酸组成有别。大多数生物活动遗迹出
现
在滨海或湖泊、
河流近岸地带。现代海洋中藻类生活的海水深度常随种类不同而深浅不一，如绿藻和褐藻
生
长于沿岸的上部，水深20～30米处以褐藻为主，80～200米处则红藻最多。现代珊瑚生长在

水温18℃以上阳光充足的海水中，猛玛象生活于寒冷地带，贝壳滩形成于海滨或湖滨。化
石
的定向排列或定
向弯曲指示着化石埋葬时的水流方向，再沉积的化石指示了水下或风暴搬运等活动。由植
物
形成的厚层煤，一般标志着一种湿热的气候。

   生物的形态结构（珊瑚的生长环、双壳纲的生长层、树木的年轮、叠层石的薄层理等）

记录了气候的季节性变化。生物体（如箭石）中的氧同位素含量是可靠的地史温度计，而
贝
壳化石的蛋白质含量则反映古气候的湿度状况。一些化石的生长线上还储存有生物产卵期
和
古风暴频率的信
息。

   因此，遵循“将今论古”的原则，可依据化石重建不同地质时代的大陆、海洋、深海、

浅海、海岸线、湖泊甚至河流的分布，了解水体含盐度和大陆、湖泊、海洋底部的地形，
恢
复古代气候，揭示古地理和古气候的沧桑变迁。

   魏格纳（A. Wegener）20世纪初提出的大陆漂移假说认为，北美与欧亚大陆曾连在一起

，即劳亚大陆（北古大陆）；南极洲、澳大利亚、印度、非洲及南美洲连在一起，为冈瓦
纳
大陆（南古大陆）；南、北古大陆之间被特提斯洋（古地中海）分隔，它们在中生代解体
后
，各陆块才漂移
到了现在的位置。

   古生物学为大陆漂移、板块构造学说的验证和建立提供了有力的证据，比如舌羊齿（G
lo
ssopteris）类植物广布于南美洲、非洲、南极洲、澳大利亚和印度的石炭纪—二叠纪地层

中，淡水爬行动物中龙（Mesosaurus）产于南美和非洲早二叠世地层。非海相动物水龙兽
（
Lystrosaurus）
主要分布于冈瓦纳大陆，但也见于我国新疆和包括俄罗斯乌拉尔在内的东欧等其他陆块的
二
叠纪末—早三叠世地层中，说明二叠纪时冈瓦纳大陆确实存在，但已向北漂移，与劳亚大
陆
相连而形成贯通南北极的联合大陆。

   分隔南北古大陆的特提斯洋在中国境内沿喀喇昆仑山口—龙木错—玉树—金沙江—昌宁

—双江—孟连一线穿过。在藏北可可西里古特提斯缝合带，蛇绿岩基质硅质岩中放射虫化
石
和缝合带盖层中、牙形刺、有孔虫和钙藻化石的发现，证明了古特提斯洋开始于早石炭
世
韦宪期(Viséan
)或更早，闭合于晚二叠世早期开匹坦期(Capitanian)。

   解释地质构造

   对地层中生物组合面貌在纵向和横向上的变化的研究，有助于对地壳运动的升降幅度的

研究。

   例如现代的造礁珊瑚在海水深20～40米的较浅水区内繁殖最快，水深超过90米就不能生

存，向上越出水面生长就停止。只有在海底连续下陷情况下珊瑚礁才能连续地生长，因此
珊
瑚礁岩层的厚度可以用作研究地壳沉降幅度的依据。又如在希夏邦马峰北坡海拔5000米处
的
第三纪末期黄色
砂岩里，曾找到高山栎（Quercus semicarpifolia）和黄背栎（Quercus pannosa）化石，

这种植物现今仍生长在海拔约2500米的喜马拉雅山南坡干湿交替的常绿阔叶林中，与化石
产
地的高差达3400米之多。由此推测，希夏邦马地区在第三纪末期以来的200多万年里，上升

了约3000米。再
如青海可可西里海拔约5000米的汉台山和康特金等地，发现了深海相的石炭纪—二叠纪放
射
虫化石，在海拔约5300米的乌兰乌拉山地区发现了浅海－滨海相侏罗纪双壳类化石。由此
可
知，在这些化石沉积之后，该地区地壳上升了至少5000～6000米。

   化石还可以用来确定岩层的顶底板、断层的性质以及断距等。采用变形的化石来确定岩

石变形“应变椭球”的长轴和短轴以及长轴定向，比利用砾石变形来解决这类应力应变问
题
更方便更准确。

   观化石而知天地

   对各地质时代化石，特别是珊瑚、双壳类、头足类、腹足类和叠层石的生长节律（生活

环境的周期变化，引起生物的生理和形态的周期性变化）或古生物钟的研究，能为地球物
理
学和天文学研究提供有价值的依据。很多生物的骨骼生长都表现明显的日、月、年等周期
，
如珊瑚生长纹代
表一天的周期。现生珊瑚一年约有360圈生长纹，而石炭纪珊瑚一年有385～390圈，泥盆纪
3
85～410圈，说明泥盆纪和石炭纪一年的天数要比现代多。利用古生物骨骼的生长周期特征

，还可推算出地质时代中一个月的天数和每天的小时数。如中泥盆世平均每月为30.6天，
早
石炭世30.5天，
比现代（29.5天）约多一天；寒武纪每天20.8小时，泥盆纪21.6小时，石炭纪21.8小时，
三
叠纪22.4小时，白垩纪23.5小时。这说明地球自转速度在逐渐变慢。同样，据化石生长线
的
研究还可知道，地球自转周期变慢速度是不均匀的，石炭纪到白垩纪变慢速度很小，而白
垩
纪以后明显增
强。这些研究结果与天文学家的推算结论吻合。

   知道了地质时代每年天数的变化，就可利用化石生长线显示的每年天数，反过来确定其

地质时代。这种测年方法要比放射性衰变法方便，因为它没有化学变化和实验室测定时产
生
的误差。另外，很多海洋生物在生理上与月球运转或潮汐周期有联系。对古生物钟的研究
可
提供月、地系统
演变的资料。

   沉积矿产的成因及利用

   有些沉积岩和沉积矿产本身就是生物直接形成的，如煤是由大量植物不断堆积埋葬而成

，石油、油页岩的形成也直接与生物有关。很多碳酸盐岩油田与生物礁相关，硅藻土由大
量
的硅藻硬壳堆积而成，有孔虫石灰岩由有孔虫形成，介壳石灰岩由贝壳形成，藻类灰岩由
藻
类形成。动植物
的有机体还常富集铜、钴、铀、钒、锌、银等矿质元素。现代海水的铜含量仅有0.001％，

但不少软体动物和甲壳动物能大量地浓缩铜。含有浓缩矿物元素的古生物大量死亡、堆积
、
埋葬，就可能形成含矿层。细菌在很多方面影响沉积作用，是一个重要的地质作用因素，
也
是地壳地球化学
循环的一个重要环节。细菌化石对沉积岩和沉积矿产的成因研究非常重要。

   中国所有大中型煤田、油田、油气田甚至沉积铁矿等的勘探与开发，均离不开古生物学

的研究和指导。

   灭绝研究与地球保护

   生物的起源、发展和演化经历了漫长和极端艰难坎坷的历程。根据化石记录，科学家发

现地球上曾发生过六次大的和无数次中、小规模的生物灭绝（集群灭绝）事件。六次大的
灭
绝事件发生的时间为寒武纪末、奥陶纪末、泥盆纪晚期、二叠纪末、三叠纪末和白垩纪末
。

   造成生物集群灭绝的原因很多，如地外星体撞击地球、火山活动、气候变冷或变暖、海

进或海退（海平面上升或下降）和缺氧等。每次大的灭绝事件，都能在相对短时期内造成
80
％～90％以上的物种灭绝。但是，少数生命力或逃逸能力强的物种能够忍受灾变造成的极
端
恶劣的环境，或
逃离灾区至异地避难而留存下来。同时，灾变引起的环境变化也给新物种的诞生创造了条
件
和机遇。大灭绝期间幸存的和新生的物种在灭绝事件后开始复苏和发展，并进而开创生物
演
化的新篇章，因此每次全球性的灭绝事件后，都伴随着生物的复苏和发展。

   通过对灭绝原因和灭绝后的复苏控制因素的研究，地质古生物学者将能揭示出更多的生

物起源与演化规律，并为人类控制生态平衡和保护地球家园提供大尺度的历史和科学方面
的
借鉴。了解和掌握了远古生物的发展规律，再利用现代科学和技术，人类就能避免或推迟
对
人类有害的潜在
事件发生，减轻或回避未来生物事件对人类的影响。

   中国科学的“拳头产品”

   古生物学是一门古老的学科，但她在科学的现代发展中正不断焕发着青春。中国具有得

“地”独厚的地质古生物资源优势——地层发育齐全、剖面连续完整、化石丰富多彩，堪
称
世界之最，是世界古生物学研究最关键和最富潜力的地区之一。许多古生物学重要理论的
研
究和全球重大地
学问题的解决，都有赖于中国古生物资料的发现和研究。

   中国古生物学工作者已在系统古生物学、前寒武纪瓮安生物群、寒武纪澄江化石宝库、

华南泥盆纪鱼类、中生代晚期热河生物群、新生代的古人类、华南地质历史时期生物的大
灭
绝和复苏、分子古生物、奥陶系达瑞威尔阶的全球界线层型和全球二叠系乐平统年代地层
等
的研究方面，做
出了具有重大意义的系列成果，令世界瞩目。

   我国有着长期的古生物学研究的学术积累和人才优势。中国地质古生物工作者应该而且

完全有能力将中国发展成为一个真正的古生物研究强国，一个名副其实的地学强国，为彻
底
揭开生命的起源与演化奥秘做出贡献。

   本文相关工作得到了中国科学技术部、中国科学院和南京地质古生物研究所等单位的资

助。衷心感谢周志炎、戎嘉余和金玉三位院士以及张永辂、朱敏、杨群、朱祥根和Fran
z
T. Fürsich诸位教授在本文成稿中提供的帮助。
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    有事找我可以到P_zjliu版给我留言，那里是我的地盘
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║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
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