古生物學是一個冷門,但卻又是意義非凡的學科。
在生命科學、地球科學領域,有著不可或缺的重要地位。
同時也是生命起源論、現代進化論的立石根基;地質年代地層劃分、古環境氣候重建、礦產探勘的主要依據。
根據研究方向,主要有以下的意義:
我們不難發現,古生物學所要解決的問題,和哲學三問和何其的貼合。
對我們自身好奇,對這個世界好奇,探索我們自身,探索這個世界,得到關於我和這個世界的答案。
古生物學對進化論的支撐和補充:
支撐:分支進化、階段進化、輻射適應、趨異進化、趨同進化、平行進化、動態進化。
補充:不可逆律、相關律、重演律、進步性進化、階段性進化。
不可逆律
為比利時古生物學家L.多洛所提出。它指出,無論是生物體或其器官,一經演變再不可能在以後生物界中恢復,一經消失也不可能再在後代或別處重現。例如,魚類演化為陸生哺乳類後,一部分哺乳類又回到海洋成為鯨類,但魚的鰭、鰓等都不能在鯨類中恢復,鯨類只能靠肺呼吸並以演變的四肢和尾起鰭的作用。根據不可逆律,在較老地層中已經絕滅的化石物種,在較新的地層中不會再出現,不同時代的地層中必具有不同的化石生物群。把層序律和不可逆律結合起來,就構成利用古生物學方法確定地層時代和劃分地層的基本原理。
相關律
為法國古生物學家G.居維葉所提出。它指出,生物體的各部分發展是相互密切聯絡的,某部分發生變化,也會引起其他部分相應的變化。這是因為對環境的適應必然影響到許多方面。例如哺乳類對肉食適應會引起牙齒的分化(適應於撕咬)、上下頜強化、感覺敏銳、四肢強壯、趾端具爪等一系列相關的變化。根據相關律,應用比較解剖學的知識,可以從通常儲存不完整的化石資料復原其整體,並可據以推斷其生態習性,以恢復古環境。
重演律
為德國生物學家赫克爾所提出。它指出個體發育是系統發生的簡短重演。根據重演律,可以從個體發育追索生物所屬群類的系統發生,從而建立系譜,有助於正確分類。例如,將某些單體四射珊瑚從幼年期到成年期順序切片觀察,可看到內部構造初期為單帶型,繼之為雙帶型,最後變為三帶型。這說明三帶型四射珊瑚的系統發生經歷了從單帶型到雙帶型到三帶型的過程。
進步性進化
古生物的進化有宏觀上的不斷進步和階段性進化的特點。歷史總的是由少到多、由低階到高階、由簡單到複雜的趨勢。哈蘭等根據2526個屬以上類別的時代分佈統計,從寒武紀時的幾十個增至1000多個。植物、無脊椎動物、脊椎動物分別呈現同樣趨勢。在16個主要門類中,除裸子植物門、軟體動物門、腕足動物門和爬行綱外,均呈分異度增加,由低到高、由簡到繁的趨勢。
動態進化
一系列短期的突變(間斷)與長期的漸變(平衡)交替發生的過程。突變是由於舊門類的大規模絕滅和緊接著的新門類的爆發式新生和輻射適應;在新門類產生後,可以有一長期的穩定發展的漸變期,直至下一個間斷。大規模絕滅是指許多門類在地球上大部分地區在同一地質時期內絕滅。在隱生宙末,伊迪卡拉動物群的消失代表一次大絕滅。在顯生宙,有人統計共有6次大規模絕滅(寒武紀末、奧陶紀末、泥盆紀末、二疊紀末、三疊紀末、白堊紀末)。其中二疊紀末的一次最為劇烈。每一次大規模絕滅,屬的交替達百分之數十,種的交替更大,可達90%以上。它們與緊接的新門類輻射適應相結合,構成地史上劃分相對地質年代的基礎。關於大規模絕滅的原因,可大致分為生物界本身(競爭、攫食、營養源、營養區、營養水平的改變等) 的原因、球內(溫度、鹽度、氣候、氧、淺海、大陸架區等的變化等)的原因和球外(輻射、撞擊、磁場改變等)的原因。認為由於地球外星體撞擊,激起塵霧,造成蔽光、致冷、毒化等綜合影響,引起白堊紀末大規模絕滅;以及由於板塊拼合,大陸架區大海退引起二疊紀末大規模絕滅的說法相當流行。
古生物學的地質學貢獻:
1、建立地層系統和地質年代表;
2、劃分和對比地層;
3、恢復古地理、古氣候;
4、研究沉積岩和沉積礦產的成因及分佈;
5、在地球物理、地球化學、構造地質學方面的應用;
建立地層系統和地質年代表:
這是古生物學在地質學中應用最廣、成效卓著的方面。根據地層層序律,生物演化的進步性、階段性和不可逆性,經過數十年的努力,在19世紀建立了從前寒武系到第四系的地層系統和相應的地質年代系統。
劃分和對比地層:
這方面的研究稱生物地層學。生物地層學方法中,歷史最久的是標準化石法,除了標準化石法、百分統計法等外,對比法,數量(或圖解)對比法等。
恢復古地理、古氣候:
由於適應環境的結果,各種生物在其習性行為和身體形態構造上都具有反映環境條件的特徵。因此搞清了化石的形態、分類、生態後,應用“將今論古”的方法,就可以推斷其生存時期的生活環境。這方面特別有用的是指相化石,即能明確指示某種沉積環境的化石。例如造礁珊瑚的生活環境為海洋,水深不超過100米,水溫在18℃以上,海水清澈,水流平靜。因此,如果在地層中發現了珊瑚礁體就可以判斷其沉積環境為溫暖、清澈的淺海。又如,蕨類植物生活在溫暖潮溼的氣候環境中,因此在地層中發現大量蕨類植物化石,就指示當時的古氣候溫暖潮溼。在使用化石恢復古環境時,應注意不少生物在地史時期中其生活環境有演變過程,例如海百合在古生代是典型淺海動物,現則多數棲居深海。
研究沉積岩和沉積礦產的成因及分佈:
許多沉積岩,如某些石灰岩、矽藻土,主要由化石組成,特別是能源礦產(石油、油頁岩、煤)主要由動植物遺體轉化形成。應用古生物學於找礦的主要有以下方面:1、根據成礦化石的時代分佈、生態特點等,研究礦產的分佈規律;2、廣泛使用微體和超微化石,精確地劃分對比含礦層位,指導鑽探等;3、從古生物化學角度,研究古生物透過吸附、絡合、化合等方式富集稀有金屬元素的規律;4.、研究古細菌在礦產形成中的作用等。在地球物理、地球化學、構造地質學方面的應用:地球自轉速度的變化,引起生物生活條件的變化,反映為生物形態和結構的變化。古生物鐘即利用生物生長週期的特徵計算地史時期地球自轉速度的變化。例如現代珊瑚體上一年生長期內約有360圈生長細紋,每紋代表一日。在泥盆紀的珊瑚化石上,該生長細紋約400圈,石炭紀的為385~390圈,說明當時每年天數分別為400及385~390左右,這些資料與用天文學方法求得的各地質時代每年的天數大致相同。用雙殼綱、頭足綱、腹足綱和疊層石的生長線研究也可得出相似結論。透過計算表明,自寒武紀以來,每年和每月的天數在逐漸減少,說明地球自轉速度在變慢。在構造地質學中,應用已變形化石(腕足類、筆石、三葉蟲)和同類未變形化石的對比,來求得應變橢球體的形狀和方向。關於板塊構造學說,也不乏藉助於古生物學的例子,如南方大陸的分裂,可以用在兩側同時找到淡水爬行動物中龍(Mesosaurus)化石為例。在一系列微板塊或地體的研究中,更需藉助有關的古生物化石作對比依據。古遺蹟學在研究深海沉積形成的地層時很有意義。
其它方面的意義:
教育和知識傳承。
自然環境生態保護。
旅遊業。
流行文化,如果沒有古生物學,絕對不可能出現當下風潮的恐龍文化。
古生物學奠基者:
拉馬克(無脊椎動物學)、史密斯(生物地層學)、居維葉(提出相關律及絕滅、災變等概念)、達爾文(他的進化論為古生物學提供了科學的理論基礎,同時指出了“化石記錄的不完整性”這一缺陷)。
拉馬克
法國博物學家,最先提出生物進化的學說,是進化論的倡導者和先驅。
1809年,拉馬克發表了《動物哲學》,提出了用進廢退與獲得性遺傳兩個法則。這兩個法則,引起了極大的爭議,甚至獲得性遺傳引發了百年之後的學派之爭。
值得一提的是,對進化論有誤解的人,很大部分人都認為進化論講究用進廢退,是達爾文的理論邏輯之一,但實際,達爾文是直接否定了用進廢退,但接受了獲得性遺傳。
威廉·史密斯
英國地質學家,世界上第一個根據沉積岩層中的生物化石來確定地層順序的人。
十八世紀後期到十九世紀初,英國史密斯提出生物層序律,為化石應用於地質學,特別為生物地層學的發展奠定了基礎。古生物學作為一門學科在此時期完整建立。
居維葉
法國古生物學者,提出了“災變論”,解剖學和古生物學的創始人。
他建立了滅絕的概念,首先將化石標本定義為與現生物種具有相等分類學地位的“已滅絕物種”。並提出了災變論,解釋地貌形成原因。
值得一提的是,居維葉反對早期的演化思想,因為物種在地層中都是以突發性方式出現的,沒有任何痕跡顯示進化的過程。不過,隨後近兩百年的時間,古生物化石大量發現,填補了空白。至於寒武紀生物大爆發,一直都是未解之謎。
達爾文
達爾文《物種起源》,提出了生物進化論學說,從而摧毀了各種唯心的神造論以及物種不變論。
大家都很瞭解,無需多說。
值得一提的是,很多人認為現在很多科學家反對進化論(演化論)。但實際,反對的不是進化本身。實際,現代生物學界,一方面拋棄了原生達爾文進化理論,另一方面卻是完善了進化理論,誕生了現代綜合進化理論。雖然新進化理論依舊還有一些無法完善的地方,但卻是當前解釋生物進化,最為完美的假說,沒有之一。
古生物學的學科分類:
傳統意義上,根據研究的不同物件,把古生物學分為古植物學和古動物學兩大分支。
古人類學既是人類學的分支學科,又是古脊椎動物學的分支學科。根據個體微小的動植物化石或大生物體微小部分的研究,又形成了微體古生物的分支學科,在理論和實踐上顯示出重要的意義。
近代研究逐漸向生物學方向轉變,稱為近代古生物學或理論古生物學。
古生物學與地質學、化學、物理學、數學、遺傳學等結合,形成交叉學科。
不同學科在古生物學大範疇下的具體研究和成果,有興趣的可以去自行了解。
例如,就古生物化學來說,大致有兩個方向:
一個方向著重研究化石與沉積岩中的有機質,將它作為化學化石以探索地史中化學有機物演變規律。在最古老岩石中尋找和研究這種化學化石,對探索地球上生命起源有重要意義。另一方向是研究古生物骨骼的化學成分,特別是其礦物組成、痕跡化學成分及同位素成分。這些成果可用於研究:①海水水化學演變史;②海水古環境引數(鹽度、溫度)的測定;③碳酸鹽巖等以化石作為主要成分的岩石化學及成岩作用;④化學旋迴史;⑤以骨骼化學為基礎的生物分類;⑥骨骼形成過程;⑦應用化學演變進行年代地層學研究;⑧富集於有機物中的稀有元素(鈾、鎳、釩、鈷)礦產的形成分佈規律等。
關於中國:
中國是古生物化石多樣性最豐富的國家之一,長期以來在國際古生物學界的地位舉足輕重。尤其是近十多年來透過古生物學和生物學的交叉研究;相繼在生命起源、鳥類起源及被子植物起源等問題的研究中取得了突破性的進展,令世人矚目。如雲南澄江動物群中最早脊索動物的發現、遼西帶羽毛的恐龍—中華龍鳥的發現等等,這些成果相繼在“science”、“nature”上發表數十篇論文。
有興趣的可以看看BBC大衛艾登堡解說的《博物館奇妙夜 Natural History Museum Alive》,b站可看。
古生物學是一個冷門,但卻又是意義非凡的學科。
在生命科學、地球科學領域,有著不可或缺的重要地位。
同時也是生命起源論、現代進化論的立石根基;地質年代地層劃分、古環境氣候重建、礦產探勘的主要依據。
根據研究方向,主要有以下的意義:
我們不難發現,古生物學所要解決的問題,和哲學三問和何其的貼合。
對我們自身好奇,對這個世界好奇,探索我們自身,探索這個世界,得到關於我和這個世界的答案。
古生物學對進化論的支撐和補充:
支撐:分支進化、階段進化、輻射適應、趨異進化、趨同進化、平行進化、動態進化。
補充:不可逆律、相關律、重演律、進步性進化、階段性進化。
不可逆律
為比利時古生物學家L.多洛所提出。它指出,無論是生物體或其器官,一經演變再不可能在以後生物界中恢復,一經消失也不可能再在後代或別處重現。例如,魚類演化為陸生哺乳類後,一部分哺乳類又回到海洋成為鯨類,但魚的鰭、鰓等都不能在鯨類中恢復,鯨類只能靠肺呼吸並以演變的四肢和尾起鰭的作用。根據不可逆律,在較老地層中已經絕滅的化石物種,在較新的地層中不會再出現,不同時代的地層中必具有不同的化石生物群。把層序律和不可逆律結合起來,就構成利用古生物學方法確定地層時代和劃分地層的基本原理。
相關律
為法國古生物學家G.居維葉所提出。它指出,生物體的各部分發展是相互密切聯絡的,某部分發生變化,也會引起其他部分相應的變化。這是因為對環境的適應必然影響到許多方面。例如哺乳類對肉食適應會引起牙齒的分化(適應於撕咬)、上下頜強化、感覺敏銳、四肢強壯、趾端具爪等一系列相關的變化。根據相關律,應用比較解剖學的知識,可以從通常儲存不完整的化石資料復原其整體,並可據以推斷其生態習性,以恢復古環境。
重演律
為德國生物學家赫克爾所提出。它指出個體發育是系統發生的簡短重演。根據重演律,可以從個體發育追索生物所屬群類的系統發生,從而建立系譜,有助於正確分類。例如,將某些單體四射珊瑚從幼年期到成年期順序切片觀察,可看到內部構造初期為單帶型,繼之為雙帶型,最後變為三帶型。這說明三帶型四射珊瑚的系統發生經歷了從單帶型到雙帶型到三帶型的過程。
進步性進化
古生物的進化有宏觀上的不斷進步和階段性進化的特點。歷史總的是由少到多、由低階到高階、由簡單到複雜的趨勢。哈蘭等根據2526個屬以上類別的時代分佈統計,從寒武紀時的幾十個增至1000多個。植物、無脊椎動物、脊椎動物分別呈現同樣趨勢。在16個主要門類中,除裸子植物門、軟體動物門、腕足動物門和爬行綱外,均呈分異度增加,由低到高、由簡到繁的趨勢。
動態進化
一系列短期的突變(間斷)與長期的漸變(平衡)交替發生的過程。突變是由於舊門類的大規模絕滅和緊接著的新門類的爆發式新生和輻射適應;在新門類產生後,可以有一長期的穩定發展的漸變期,直至下一個間斷。大規模絕滅是指許多門類在地球上大部分地區在同一地質時期內絕滅。在隱生宙末,伊迪卡拉動物群的消失代表一次大絕滅。在顯生宙,有人統計共有6次大規模絕滅(寒武紀末、奧陶紀末、泥盆紀末、二疊紀末、三疊紀末、白堊紀末)。其中二疊紀末的一次最為劇烈。每一次大規模絕滅,屬的交替達百分之數十,種的交替更大,可達90%以上。它們與緊接的新門類輻射適應相結合,構成地史上劃分相對地質年代的基礎。關於大規模絕滅的原因,可大致分為生物界本身(競爭、攫食、營養源、營養區、營養水平的改變等) 的原因、球內(溫度、鹽度、氣候、氧、淺海、大陸架區等的變化等)的原因和球外(輻射、撞擊、磁場改變等)的原因。認為由於地球外星體撞擊,激起塵霧,造成蔽光、致冷、毒化等綜合影響,引起白堊紀末大規模絕滅;以及由於板塊拼合,大陸架區大海退引起二疊紀末大規模絕滅的說法相當流行。
古生物學的地質學貢獻:
1、建立地層系統和地質年代表;
2、劃分和對比地層;
3、恢復古地理、古氣候;
4、研究沉積岩和沉積礦產的成因及分佈;
5、在地球物理、地球化學、構造地質學方面的應用;
建立地層系統和地質年代表:
這是古生物學在地質學中應用最廣、成效卓著的方面。根據地層層序律,生物演化的進步性、階段性和不可逆性,經過數十年的努力,在19世紀建立了從前寒武系到第四系的地層系統和相應的地質年代系統。
劃分和對比地層:
這方面的研究稱生物地層學。生物地層學方法中,歷史最久的是標準化石法,除了標準化石法、百分統計法等外,對比法,數量(或圖解)對比法等。
恢復古地理、古氣候:
由於適應環境的結果,各種生物在其習性行為和身體形態構造上都具有反映環境條件的特徵。因此搞清了化石的形態、分類、生態後,應用“將今論古”的方法,就可以推斷其生存時期的生活環境。這方面特別有用的是指相化石,即能明確指示某種沉積環境的化石。例如造礁珊瑚的生活環境為海洋,水深不超過100米,水溫在18℃以上,海水清澈,水流平靜。因此,如果在地層中發現了珊瑚礁體就可以判斷其沉積環境為溫暖、清澈的淺海。又如,蕨類植物生活在溫暖潮溼的氣候環境中,因此在地層中發現大量蕨類植物化石,就指示當時的古氣候溫暖潮溼。在使用化石恢復古環境時,應注意不少生物在地史時期中其生活環境有演變過程,例如海百合在古生代是典型淺海動物,現則多數棲居深海。
研究沉積岩和沉積礦產的成因及分佈:
許多沉積岩,如某些石灰岩、矽藻土,主要由化石組成,特別是能源礦產(石油、油頁岩、煤)主要由動植物遺體轉化形成。應用古生物學於找礦的主要有以下方面:1、根據成礦化石的時代分佈、生態特點等,研究礦產的分佈規律;2、廣泛使用微體和超微化石,精確地劃分對比含礦層位,指導鑽探等;3、從古生物化學角度,研究古生物透過吸附、絡合、化合等方式富集稀有金屬元素的規律;4.、研究古細菌在礦產形成中的作用等。在地球物理、地球化學、構造地質學方面的應用:地球自轉速度的變化,引起生物生活條件的變化,反映為生物形態和結構的變化。古生物鐘即利用生物生長週期的特徵計算地史時期地球自轉速度的變化。例如現代珊瑚體上一年生長期內約有360圈生長細紋,每紋代表一日。在泥盆紀的珊瑚化石上,該生長細紋約400圈,石炭紀的為385~390圈,說明當時每年天數分別為400及385~390左右,這些資料與用天文學方法求得的各地質時代每年的天數大致相同。用雙殼綱、頭足綱、腹足綱和疊層石的生長線研究也可得出相似結論。透過計算表明,自寒武紀以來,每年和每月的天數在逐漸減少,說明地球自轉速度在變慢。在構造地質學中,應用已變形化石(腕足類、筆石、三葉蟲)和同類未變形化石的對比,來求得應變橢球體的形狀和方向。關於板塊構造學說,也不乏藉助於古生物學的例子,如南方大陸的分裂,可以用在兩側同時找到淡水爬行動物中龍(Mesosaurus)化石為例。在一系列微板塊或地體的研究中,更需藉助有關的古生物化石作對比依據。古遺蹟學在研究深海沉積形成的地層時很有意義。
其它方面的意義:
教育和知識傳承。
自然環境生態保護。
旅遊業。
流行文化,如果沒有古生物學,絕對不可能出現當下風潮的恐龍文化。
古生物學奠基者:
拉馬克(無脊椎動物學)、史密斯(生物地層學)、居維葉(提出相關律及絕滅、災變等概念)、達爾文(他的進化論為古生物學提供了科學的理論基礎,同時指出了“化石記錄的不完整性”這一缺陷)。
拉馬克
法國博物學家,最先提出生物進化的學說,是進化論的倡導者和先驅。
1809年,拉馬克發表了《動物哲學》,提出了用進廢退與獲得性遺傳兩個法則。這兩個法則,引起了極大的爭議,甚至獲得性遺傳引發了百年之後的學派之爭。
值得一提的是,對進化論有誤解的人,很大部分人都認為進化論講究用進廢退,是達爾文的理論邏輯之一,但實際,達爾文是直接否定了用進廢退,但接受了獲得性遺傳。
威廉·史密斯
英國地質學家,世界上第一個根據沉積岩層中的生物化石來確定地層順序的人。
十八世紀後期到十九世紀初,英國史密斯提出生物層序律,為化石應用於地質學,特別為生物地層學的發展奠定了基礎。古生物學作為一門學科在此時期完整建立。
居維葉
法國古生物學者,提出了“災變論”,解剖學和古生物學的創始人。
他建立了滅絕的概念,首先將化石標本定義為與現生物種具有相等分類學地位的“已滅絕物種”。並提出了災變論,解釋地貌形成原因。
值得一提的是,居維葉反對早期的演化思想,因為物種在地層中都是以突發性方式出現的,沒有任何痕跡顯示進化的過程。不過,隨後近兩百年的時間,古生物化石大量發現,填補了空白。至於寒武紀生物大爆發,一直都是未解之謎。
達爾文
達爾文《物種起源》,提出了生物進化論學說,從而摧毀了各種唯心的神造論以及物種不變論。
大家都很瞭解,無需多說。
值得一提的是,很多人認為現在很多科學家反對進化論(演化論)。但實際,反對的不是進化本身。實際,現代生物學界,一方面拋棄了原生達爾文進化理論,另一方面卻是完善了進化理論,誕生了現代綜合進化理論。雖然新進化理論依舊還有一些無法完善的地方,但卻是當前解釋生物進化,最為完美的假說,沒有之一。
古生物學的學科分類:
傳統意義上,根據研究的不同物件,把古生物學分為古植物學和古動物學兩大分支。
古人類學既是人類學的分支學科,又是古脊椎動物學的分支學科。根據個體微小的動植物化石或大生物體微小部分的研究,又形成了微體古生物的分支學科,在理論和實踐上顯示出重要的意義。
近代研究逐漸向生物學方向轉變,稱為近代古生物學或理論古生物學。
古生物學與地質學、化學、物理學、數學、遺傳學等結合,形成交叉學科。
不同學科在古生物學大範疇下的具體研究和成果,有興趣的可以去自行了解。
例如,就古生物化學來說,大致有兩個方向:
一個方向著重研究化石與沉積岩中的有機質,將它作為化學化石以探索地史中化學有機物演變規律。在最古老岩石中尋找和研究這種化學化石,對探索地球上生命起源有重要意義。另一方向是研究古生物骨骼的化學成分,特別是其礦物組成、痕跡化學成分及同位素成分。這些成果可用於研究:①海水水化學演變史;②海水古環境引數(鹽度、溫度)的測定;③碳酸鹽巖等以化石作為主要成分的岩石化學及成岩作用;④化學旋迴史;⑤以骨骼化學為基礎的生物分類;⑥骨骼形成過程;⑦應用化學演變進行年代地層學研究;⑧富集於有機物中的稀有元素(鈾、鎳、釩、鈷)礦產的形成分佈規律等。
關於中國:
中國是古生物化石多樣性最豐富的國家之一,長期以來在國際古生物學界的地位舉足輕重。尤其是近十多年來透過古生物學和生物學的交叉研究;相繼在生命起源、鳥類起源及被子植物起源等問題的研究中取得了突破性的進展,令世人矚目。如雲南澄江動物群中最早脊索動物的發現、遼西帶羽毛的恐龍—中華龍鳥的發現等等,這些成果相繼在“science”、“nature”上發表數十篇論文。
有興趣的可以看看BBC大衛艾登堡解說的《博物館奇妙夜 Natural History Museum Alive》,b站可看。