1.远古足迹——什么是化石
地球已有46亿年的漫长历史，最早的生命也在30亿年之前就已经出现。而人类有记载的历史不过几千年，那么科学家是怎样研究地球和生命历史的呢？中国古代有“沧海桑田”的传说，那真正的历史是怎样的呢？化石是科学家最有力的证据，化石也是地球的记忆。
简单地说，化石就是一种特殊的石头，生活在很久以前的生物遗体或遗迹深埋在地下变成的跟石头一样的东西。在漫长的地质年代里，有许许多多的生命在地球上出现、绽放，然后消失。恐龙、猛犸都曾经在这颗蓝色星球上写下绚烂的一章。化石是这些物种曾经存在的唯一证据。
在这些生物死亡之后，它们的遗体或是生活时遗留下来的痕迹，其中一部分被泥沙埋入地下。随着时间的推移，这些生物遗体中的有机物质被逐渐分解，只留下较为坚硬的部分，例如外壳、骨骼、枝叶等。它们与周围的沉积物一起，经过石化作用变成了石头。但是，它们本来的形态及结构（甚至于一些微小的内部构造）仍然完好地被保留下来；有时生命活动的痕迹也会通过这种方式保留了下来，也就形成我们今天所看到的化石了。
化石可以提供很多信息。经过研究我们可以还原古代动物、植物的样子，进而推断出古代动物、植物的生活状况及生活环境，而且还可以推断出埋藏化石的地层形成的年代和经历的变化，更重要的是可以推断出生物从古到今是如何进行演变与进化的。
2.何方神圣——“化石”来源及演变过程
“化石”一词最早来源于拉丁语。字面直译就是“挖出来”的意思。化石是史前生物能保存下来的较坚硬的一部分，并且这些生物大多生活在化石采集地区。
在火山爆发的时候，整片森林都会被落下的火山灰掩埋。这些火山灰把树木和空气隔绝，因此在许多森林化石中我们可以看到仍然以很好的姿态站立着的树。流沙和焦油沥青也能迅速把落入其中的动物掩埋起来。基本上可以把焦油沥青看作捕获野兽的陷阱，它又像防腐剂能阻止动物坚硬部分的分解。在洛杉矶的兰乔拉布雷沥青湖之中发现了很多动物骨化石。发现的骨化石之中包括长着锐利獠牙的野猪、巨大的陆地树懒和其他已经灭绝的史前动物。在高海拔或者高纬度的冰川或者冻土中，会发现一些生活在冰河时期的动物，它们被冻结起来，大大增加了被保存下来的几率。
在漫漫的历史长河中，很多生物早已彻底灭绝，不为人知。但那些极少数留下的生物化石却可以证明它们曾经存在过。
化石的形成非一朝一夕之功。即使满足了生物变成化石的条件，仍然会有种种原因使得一些生物化石从未被人类发现。例如，有些化石由于受到地面剥蚀作用被破坏掉，或是化石较为坚硬的部分被地下水分解了。除此之外，还有一些化石也有可能完好地保存在岩石里，但是当岩石发生了强烈的物理变化时，例如褶皱、断裂或熔化，含化石的海相石灰岩就会变为大理岩。在这个过程中化石会完全消失。另外，还有很多化石存在于沉积岩层中，无法进行科学研究工作。不过，也有一些裸露在地表之外的含化石的岩石，它们广泛分布在世界上的一些地方，等待人们发现和研究。还有一个极为普遍的问题，如果生物的残体变成碎片或保存不完好，也会影响对化石的研究，导致不能提取足够的信息。
不仅如此，当我们回溯的远古时代越是久远，化石也就更加容易受到破坏。再加上较古老的生物与今天的生物有很大差异，很难对它们进行分类。化石的发掘和研究是非常复杂的。大量的生物化石仍然为人类认识远古时代提供了最好的记录。
无论是动物还是植物，都可以通过不同途径变成化石，影响因素主要包括以下这些：
其一，生物的本来构成。
其二，生物所生存的地方。
其三，生物死后，影响遗体的因素。
古生物学家通常认为生物残体有4种保存形式，而每一种形式又由生物遗体的构成或生物遗体所经历的变化而决定。
对于生物来说，只有当它们本来柔软的部分埋在能够阻止其柔软部分分解的介质中时，才能够被保存下来。冻土或冰，饱含油脂的土壤和琥珀都属于这种介质。另外还有一种情况，那就是在非常干燥的地区生物也能变成木乃伊，这是因为它们身体上本来柔软部分迅速失去水分，避免尸体的腐烂。不过，这种情况只发生在干旱地区或沙漠地区，并且还得保证遗体不会变成野兽的美餐。
在高纬度的阿拉斯加和西伯利亚，有一小部分动物的柔软部分能以冻土化石的形式保存下来。这两个地区常年冰冻不化，在这里发现了大量的冻结的多毛的猛犸遗体，猛犸是一种灭绝的古象。在冻土融解时，猛犸的遗体也就裸露出来了。有的巨兽已经被埋藏长达2.5万年，也有些尸体保存得并不是很好。暴露出来的巨兽，有的被野狗吃了，也有的被象牙商当作赚钱的工具。现如今，有许多猛犸象的毛皮被陈列在博物馆里，还有些研究机构把猛犸象的肉体或肌肉保存在乙醇之中。
在东波兰发现了一些远古动物身体的柔软部分，这主要有赖于当地油性极大的土壤。其中保存较完好的是一种远古犀牛的鼻角、前腿和部分皮，这种犀牛早已经灭绝。美国研究人员于新墨西哥州和亚利桑那州的洞穴中和火山口里发现了天然形成的木乃伊地树懒。这里气候极端干燥，一年也下不了几滴雨。动物的软组织因此在还未腐烂时就迅速脱水，并有一部分保存下来的皮、毛、腱、爪等。
琥珀是一种有趣而又不寻常的化石保存方式。有一部分生物变成化石是在琥珀中保存下来的。远古时代，由于天气炎热，昆虫便被某些针叶树分泌出的树脂所捕获。随着时间的推移，松脂进一步硬结，于是一部分树脂形成了琥珀，昆虫便被完整的保存下来。借助琥珀的保护，有一部分昆虫和蜘蛛保存得相当完好，甚至可以在显微镜下对它的细毛及其肌肉组织进行研究。
保存下来的生物体软组织能够形成一些极为有趣的化石。但这种化石是极为罕见的，尤其琥珀还是一种名贵的宝石，保存有昆虫的琥珀更是天价。因此，古生物学家研究较多的还是那些保存在岩石中的化石。
被保存下来的生物体，大部分是那些硬组织。无论是动物还是植物，它们都或多或少地拥有一些硬部分，如一些蛤、蚝或蜗牛的壳；脊椎动物的牙和骨头或蟹的外壳和能够变成化石的植物的木质组织。由于生物体的坚硬部分能够抵抗风化作用和化学作用，所以这类化石较为常见。无脊椎动物，例如蛤、蜗牛和珊瑚等的壳是由方解石（碳酸钙）组成的，其中有一部分化石没有或几乎没有发生物理变化就被保存了下来。脊椎动物的骨头和牙以及许多无脊椎动物的外甲都是由磷酸钙组成的，能够很好地抵抗风化作用，所以有很多由磷酸盐组成的物质也就被保存下来了，例如过去发现的一枚保存极好的鱼牙。同样，由硅质（二氧化硅）组成的骨骼也具有这样的特点。
那些微体古生物化石的硅质部分和某些海绵，是通过硅化而变成化石的。
除此之外，有机物含有几丁质（几丁质是一种类似于指甲的物质）的外甲，节肢动物和其他有机物的几丁质外甲就能够变成化石保存下来，由于受到其化学成分和埋葬方式的影响，这种物质便以碳的薄膜形式保存下来。在生物被埋葬之后，其中的碳化作用（也可称蒸馏作用）在漫长的腐烂过程中发生，在其分解过程中，有机物也随之失去了所含的气体和液体成分，只剩下碳质薄膜。这种碳化作用与煤的形成过程类似的，这样一来我们会在许多煤层中看到大量此类型化石。
很多植物、鱼和无脊椎动物的化石就是通过这样的方式保存下来的，而且其中一些碳薄膜可以准确地记录下这些生物最精细的结构。
不仅如此，化石还可以通过矿化作用与石化作用被保存下来。最为常见的矿物有方解石、二氧化硅以及各种铁化合物。当生物体较坚硬部分所在的空间有了矿物沉淀时，生物的坚硬部分会因此变得更为坚硬，同时也能够更好地抵抗风化作用。这里说的矿化作用，也可称为置换作用，就是指生物体的坚硬部分被地下水所溶解，同时其他物质的沉淀便填充了所空出来的位置。不过有些通过置换作用形成的化石，其内部的原始结构都已经被破坏。
能够形成化石的不仅仅是动植物的遗体，也包括那些能够表明它们曾经存在过的证据或踪迹。这些痕迹化石可以提供有关该生物特点的很多情况。生物体的壳、骨、叶以及其他部分，都能够以阴模和阳模的形式被保存下来。就拿一个贝壳来说，在沉积物还未硬化成岩时就被压入海底，这样一来，就会留下外表特征的压印（也称阴模）。后来，另外一种物质又充填了阴模，也就形成了所谓的阳模。对于阳模来说，可以更好地显示出贝壳本来的外部特征。这是因为生物体外部阴模显示的是生物体硬部分的外部特征，而其内部阴模显示的是生物体坚硬部分的内部特征。
印痕、足迹、洞穴都可以形成化石，这也是一些动物留下它们曾经存在的证据的方式之一。
例如足迹化石，不仅能够显示动物的基本类型，而且也可以提供相当多的环境资料。拿恐龙来说，其足迹化石不仅能够揭示其足的大小和形状，还可以从侧面了解长度和重量。
不仅如此，留有足迹的岩石也能帮助确定该生物的生活环境与条件。在美国得克萨斯州索美维尔县的罗斯镇附近的帕卢西河床中，科学家从白垩纪石灰岩中发现了世界上最著名的恐龙足迹化石。这种恐龙大约生活在1.1亿年前。后来，这块留有恐龙足迹的大石灰岩板便被运到全世界的博物馆中进行展出，为科学家们研究这种巨大的爬行动物提供了有力的证据。此外，在许多砂岩和石灰岩沉积层的表面可以看到无脊椎动物留下的踪痕。这些踪痕不仅有简单的踪迹，也有螃蟹及其他爬行动物的洞穴。
踪痕化石可以让人类更好地了解当时生物的活动方式和生存环境。供动物藏身的洞穴是动物在地上、木头上、或石头上以及其他物质上钻出的管状或圆洞状的孔穴，随着时间的推移，这些孔穴一旦被细小的物质充填，就能够保存下来了。有时候甚至能在这些孔穴里发现动物的遗体化石。一些海洋动物，如蠕虫、软体动物等，都会在松软的海底留下洞穴。其中有一些软体动物，例如凿船虫——一种钻木的蛤，石蜊——一种钻石的蛤，它们的洞穴化石和钻孔化石也常常有发现。人类目前已知的最古老的化石就是管状构造的。据研究这种管状构造是蠕虫的洞穴。类似的化石在许多最古老的砂岩中也可以看到。
由于这些钻孔是那些动物为了觅食、附着和藏身而打的洞，因此经常出现在化石化的贝壳、木头和其他生物体的化石之上。而且钻孔也属于一种化石，例如食肉动物——钻孔蜗牛，就能够穿过其它动物的壳钻孔来获取食物。因此我们会在很多古代软体动物的壳上看到好像钻孔蜗牛打的排列整齐的洞。
对于追溯动植物的发展与演化，化石起着非常重要的作用，这是由于在年代较长的岩石中的化石通常是原始的和结构较为简单的，而在年代较近的岩石中的类似种属的化石相对来说较为复杂和高级。
一些化石的价值在于可以作为环境的指示物，例如造礁珊瑚，人们会认为其生活地与今天极为相似。因此，一旦地质学家发现了珊瑚礁化石——珊瑚最初被埋藏的地方，就可以认为，这些含有珊瑚的岩石形成于温暖的浅海中。这样一来，就极有可能勾画出史前时期海洋所处位置及范围。而且珊瑚礁化石的存在为了解古代水体的深度、温度、底部条件和含盐度提供相当多的信息。
化石还有一个重要的用途，那就是用来对比，以此来确定若干岩层间彼此相互关系的密切程度。通过比较，就能够了解各岩层所含的化石特征，地质学家可以以此为依据确定一个特定区域的某种地质建造的分布。这种化石人们称为指示化石，这种化石在地质历史上存在的时间较短，然而它的地理分布却很广。因为此种化石一般只是和某一特定时代的岩石共生，所以最有价值的用处之一就是用来比较确定岩层的年代。
在石油勘探方面，经常用微生物化石作为指示化石。微体古生物学家（研究微体古生物的学者）通过对从钻孔中取得的岩心进行冲洗，将微小的化石分离出来。接着便在显微镜下进行观察与研究。可以获得的很多有价值的资料，这些资料可以用来判断地下岩层的年代和储油的可能性。微体古生物化石对于世界油田极为重要，这一点可以从某些储油地层用某些关键的有孔虫的属来命名看得出来。其它微体古生物化石，例如：介形虫、孢子和花粉，也可以用来确定世界其他许多地区的地下岩层。
植物化石提供了许多有关整个地质时代的植物演化的资料。植物化石虽然可以用来指示气候变化，但是用于地层对比却不准确。
3.石之物语——化石的形成条件
每一个物种都有一个形成过程，因此一个生物是否能够形成化石，是由许多因素决定的，其中有3个基本因素：
其一，对于有机物来说，必须有坚硬的部分，例如贝壳、硬骨、牙齿或木质组织等。不过，在某些条件下，即使这种生物非常脆弱，例如昆虫，也同样能变成化石。
其二，生物在死后必须避免被毁灭。这是因为如果一个生物的身体部分被压碎、腐烂或严重风化，就极有可能降低此种生物成为化石的可能性。
其三，生物必须被某种能阻碍分解的物质很快地掩埋起来。通常情况下，这种掩埋物质的类型取决于生物生存的环境。一般情况下，海生动物的遗体比较容易成为化石，这是为什么呢？海生动物死亡后沉在海底，会被软泥所掩埋。在后来的地质时代，软泥也就变成了页岩或石灰岩。这些较细粒的沉积物不易损坏生物的遗体。例如，德国某地的侏罗纪细粒沉积岩中，有诸如鸟、昆虫、水母这样一些脆弱的生物化石被保存的很完好。
4.众说纷纭——古人说法
在几千年前，人类历史的早期，就有一些希腊学者曾对沙漠中以及山区出现的鱼及海生贝壳感到迷惑不解。直到公元前450年，古罗马历史学家希罗多德对埃及沙漠进行了考察，并且正确地指出那一地区曾被地中海淹没。
公元前400年，亚里士多德进一步证明了化石是由有机物形成的，但是他提出化石之所以被保存在岩石中这是由于地球内部存在着神秘的塑性力。大约在公元前350年，他的一个学生狄奥佛拉斯塔也提出了化石代表着某些生命形式，这些生命由埋植在岩石中的种子和卵发展形成的。大约在公元前63年到公元20年，斯特拉波发现在高海拔的陆地上有海生化石的存在，于是他便做出正确的推断，认为含有此类化石的岩石曾经受到较大幅度抬升。
对于化石，处在中世纪黑暗时代的人们有着各种各样的看法。有人将其视为自然界的奇特现象，也有人认为是魔鬼的作品。这种迷信的说法，再加上宗教权威的反对，使得化石研究进程速度大减。
大约在15世纪初，人们才普遍接受了化石的真正起源。不仅如此，人们逐渐接受化石是史前生物的残体，然而仍将其视为基督教圣经上所记载的“大洪水的遗迹”。这样一来，科学家与神学家进行了激烈的争论，持续时间大约为三百年。
在欧洲文艺复兴时期，几个早期自然科学家，其中也包括著名的达芬奇。当达芬奇论及化石问题时，坚决主张：洪水并不是所有化石形成的条件，也无法解释为什么有的化石出现在高山上。这些自然科学家非常肯定地认为，化石是古代生物的证据，而且正确地指出海洋曾经淹没意大利。达芬奇认为，古代动物的遗体被深埋在海底，在随后的某个时间，海底突然隆起高出海平面，形成了意大利半岛。
在18世纪末和19世纪初，化石已经形成一门学科。自此以后，化石对地质学家的研究工作起着越来越重要的作用。化石多发现在海相沉积岩中，当海水中沉积物，例如石灰质软泥、沙、贝壳层等被压实并胶结成岩时，就形成了海相沉积岩。其中仅有很小一部分罕见的化石出现在火山岩和变质岩中。火山岩形成时，温度高达数千摄氏度，没有化石可以在这么高的温度中保存下来。而变质岩的形成也经历了剧烈的物理和化学反应，同样也很难有化石保存下来。即使在沉积岩中，能够保存下来的记录也只是史前动植物极小的一部分。如果了解形成化石的过程需要的条件是非常苛刻的，也自然就明白了沉积岩中所保留下来的仅仅是史前动植物的很小一部分的原因了。