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『生活需要讀書和新知』
化石，是通往過去的鑰匙。如果說地層那一層一層的記錄是日記本的書頁，化石就是書寫於其中的詳盡文字和精美插圖。想要讀懂地球過往所留下的這本宏偉日記，學習用生命史篆刻的語言尤為重要，因此讀懂化石就是了解地球生命史的重要關鍵。
化石，聽起來是如此高級精緻，也離我們如此遙遠，似乎只在博物館這個孤高的象牙塔中才能見到，而大家說到化石第一時間想到的必定也是霸王龍、馬門溪龍這類「帝王將相」吧！但事實並非如此，只要找對地層，郊區小山坡的巖石露頭上都可能蘊含了豐富化石，只是我們往往擦身而過，卻不自知。
*文章節選自《化石：遠古的饋贈》（ [英] 克裡斯·佩蘭特 海倫·佩蘭特 著 三聯書店2020-6）。文章版權所有，轉載請在文末留言
歐泊化的樹化石。歐泊是成分為二氧化矽的中檔寶石，它置換了這塊樹幹的原有組織，但其上的年輪依然隱約可見文 | [英] 克裡斯·佩蘭特
海倫·佩蘭特
何為化石？人們往往覺得化石就是植物和動物石化後的遺體，但其實在漫長的地球歷史中，巖石裡還同樣封存了遠古生物所留下的其他痕跡。
從字面看來，「化石」其實就是一切「石化了的東西」。從科學研究的角度看來，「化石」的定義應該更加寬泛。10多億年前原始藻類的蛛絲馬跡，侏羅紀軟體動物矽化的殼體，石炭紀煤層中蕨類植物精美的黑色碳質印痕，新生代波羅的海琥珀中困住的整隻昆蟲，以及白堊紀一隻恐龍在泥濘中奔跑留下的足跡，這些都應該被歸入「化石」的行列之中。地球生物留在巖石中的一切痕跡——或許這是對「化石」這一概念比較適當的定義。不過在距今時代很近的沉積物中，這一定義可能和考古遺存有所重疊。一般而言，石器、陶器、錢幣以及其他人工製品不被歸入化石之中，而是屬於考古學家的研究範疇。
作為地質學的分支之一，古生物學是專門研究化石的學科。有些古生物學家試圖探尋古老的生物群落如何生存變遷；有些則將化石和地層信息進行關聯，從而確定地層的層序；還有些則致力於利用化石記錄揭開生物演化的謎題。
琥珀中的昆蟲。有些化石保存得十分完美，比如這些封存在琥珀中的完整蟲體儘管化學組成早已改變，我們仍應謹記化石歸根結底依然是生物變化而來。無論從哪個角度出發，古生物學都依然是研究自然歷史的科學。正因如此，化石的命名和分類都應遵循生物學命名和分類的規則，但由此也產生了一些不可避免的問題。
生物學意義上「物種」的劃定相對容易，可以進行重複檢驗，也可以使用基因技術進行確認。化石則通常是死去已久的動植物碎片，因此化石「種」顯然更加難以確立。基因或環境影響可能使同一種的不同個體產生差異，而這所謂的「種內差異」曾一度為人們所忽視。與此同時，從出生到死亡，同一個體在發育進程中也會發生身體結構的變化。這一變化在很多動物中都能觀察到，比如節肢動物會在成長過程中不斷蛻皮，脊椎動物一生中骨骼形態的變化也蔚為可觀。由於化石證據的碎片性，研究者很難確定觀察到的形態差異究竟是來自真正的種間差異，還是種內差異或個體發育造成的假象。只有當發現了大量可能為同一種的化石標本時，以上不同來源的差異才可能被全面衡量，一個禁得起推敲的化石種才能得以建立。
化石的形成只有極少數的生命體能夠最終保存為化石。植物或動物死亡之後，遺體可能直接腐爛分解，可能成為食腐動物的盤中餐，也可能在風化作用下煙消雲散。只有被沉積物覆蓋掩埋，它們才有一線希望得以保存為化石。海洋沉積物更容易在海床上堆積成巖，因此海洋生物較陸生生物更容易形成化石。此外，生命體具有硬體部分，也是形成化石的有利條件——在被沉積物封存起來之前，硬體部分往往能夠保存更久而不被分解或侵蝕。
研究生命體死亡後如何變為化石的學科稱為埋藏學。想要變成化石，生命體的殘餘部分就必須與周圍環境達到化學平衡。沉積物變為沉積巖的過程稱為成巖作用，其中會發生一系列化學和物理性質的變化。在覆蓋生命體的沉積物發生這一變化的過程中，組成軟體動物殼體的碳酸鈣很可能不幸被分解而消失無蹤。化石還有可能是為沉積物填充而保留下來的鑄模，比如軟體動物的殼體或恐龍足跡所留下的印痕。對於這種印痕或鑄模化石而言，其實並沒有真正的生物身體部分得以保存。埋藏在地層中的鈣質殼體在漫長的歲月裡不斷溶解、消失，留下的空洞為圍巖中的礦物質所填充，最終就可能會「復刻」出一個原始殼體的鑄模化石。
即使是生物體的自身結構所形成的化石，其組成成分也與原始的殼體和骨骼大相逕庭。有時化石會發生化學置換，比如組成珊瑚和軟體動物殼體的碳酸鈣可能會被在地下更為穩定的其他礦物質所替換，如此一來便形成了這些生命體的完美「替換品」——能夠在地下環境中長久留存的化石。能夠置換殼體中碳酸鈣的礦物包括黃鐵礦、石英、赤鐵礦等，這一置換過程便是化石的「石化」過程。大部分植物化石都像是貼在巖石表面的精美圖畫，它們富含碳質且極其脆弱。碳是存在於所有生命體中的基本元素，而在植物變成化石的過程中，往往只有碳質能夠得以保存。當中空的樹幹枝杈被泥沙等沉積物填滿時，它們還可能最終形成立體保存的植物化石。萊尼燧石層（Rhynie chert）發現於英國蘇格蘭的格蘭扁（Grampian）地區，其中就產出大量矽化的、立體保存的植物化石。
這塊石炭紀的珊瑚化石中的碳酸鈣已經被赤鐵礦所置換，而內部的隔板卻依然清晰可見如果掩埋生物體的沉積物顆粒十分細膩，可能會誕生一些保存非常完美的化石。德國索倫霍芬（Solnhofen）地區的石灰巖，以及加拿大不列顛哥倫比亞境內的布爾吉斯頁巖（Burgess shale）就是兩個典型案例：精美的羽毛印痕在索倫霍芬得以保存，布爾吉斯頁巖中則發現了寒武紀海洋中各種奇異動物的軟體部分。
關於生物體有機部分和精細結構在化石中的保存，我們還能找到很多例子，比如琥珀中的昆蟲：松樹分泌出的樹脂一不小心困住了昆蟲，最終一併變成了琥珀。陷入凍土層或瀝青坑中的大型動物所形成的化石也是另一經典案例。
植物化石植物組織尤其像是一些葉片及花朵都很脆弱，再加上它們大都生活在陸地上，導致化石保存非常稀少。植物的化石常常會變成一層碳質薄膜覆蓋在地層表面，這也是植物組織唯一殘留的物質。然而在一些特殊的案例中，還能找到立體保存的植物葉片化石，像是美國伊利諾州的馬遜溪谷（Mazon Creek）化石點。大型植物的枝幹常會被二氧化矽（石英或蛋白石）填充甚至置換而形成精美的化石，而花粉也能藉此方式保存下來，但這需要進一步用顯微鏡才能辨識。由於陸地上存在更多的侵蝕與風化，所以即便植物化石早已被沉積物覆蓋，這層層保護還是很容易消失。植物死亡時也常會支離破碎，因此根、莖、葉可能在不同地方形成化石，有時甚至會因此將同一植物的不同部位取了不同的名字。
最早的植物化石是藻類，保存在前寒武紀的巖石中。這些藻類所形成的疊層石非常重要，它們率先釋放氧氣到地球的原始大氣圈中。早期的地球非常單調，沒有今日我們常見的鮮豔植物色彩點綴其中。簡單的維管束植物起源於志留紀，但一直要到泥盆紀陸地上才開始綠意盎然。而今那些儲藏豐富的煤炭則形成於石炭紀的廣袤森林，它們不僅促成了19 世紀的工業革命，也為我們今日的能源發電提供了至關重要的原料。花朵在化石記錄中出現得相對要晚一些，一直到中生代晚期才有其蹤跡。花朵的出現有兩個重要意義：一是花朵之間的相互授粉讓不同品種間的組合化為可能；二是花粉和花蜜是昆蟲的食物，因此花朵的出現也加劇了昆蟲的演化。現今我們所能看到的植物則大多起源於新生代。
植物化石對古地理環境的重建非常有幫助。植物根據它們所居住的地方會有不同的特化以適應環境，尤其針對氣候更為敏感。藉助將植物化石與現代的品系進行比較，我們就有可能推斷出往昔的氣候條件。使用植物化石探討氣候變遷時，一些最詳盡的研究成果就是由冰期和後冰期的孢粉沉積得出。孢粉是非常耐久的物質，通過不同的孢粉顆粒能夠辨認出各種植物。這些孢粉能從泥炭或是一些其他沉積中提取出來，並在顯微鏡下進行觀察。有些植物會在寒冷的氣候條件下消失，並在氣候緩和的間冰期或是如今這樣的後冰期才又復甦。
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管孔藻［SOLENOPORA］
這是一種由藻類分泌的孔管所構成的化石，形狀多孔且細長。這些管道為石灰質且分支，時常呈現Y 形結構。這種藻類能在珊瑚礁的沉積中找到，同時找到的往往還有一些其他化石如苔蘚蟲。這些苔蘚蟲會聚集起來形成大小適中的沉積物，協助珊瑚礁的建造。
體型大小：長12 釐米。
時空分布：管孔藻廣布全球，在古生代早期到近代的地層中都有發現。圖中所示的這種管孔藻來自英國格洛斯特郡（Gloucestershire） 的侏羅紀地層中。
化石故事：侏羅管孔藻（Solenoporajurassica ）和前面來自挪威的管狀種類不同，它是由粉紅及白色交替的碳酸鈣條帶所構成，並在侏羅紀的海床上形成小丘狀的結構。進一步的分層檢驗顯示，這些色彩可能與藻類在自然環境中的交替有關。仔細觀察我們會發現，多孔的層被低孔隙度的條帶所取代，而這些有顏色的物質多集中在孔隙度低的分層上。孔隙度低的分層是由下降的水流造成，這種水流的作用可能發生在藻類形成層狀之後。由於這種管孔藻化石的獨特色澤，所以它在美國又被稱為「甜菜根石」（beetroot stone）。
舌羊齒 [GLOSSOPTERIS]
舌羊齒是一種生長習性接近樹木的種子蕨植物，雖然也有觀點認為所謂的「接近樹木」可能只是類似灌樹叢一般。在莖幹的化石上可見到年輪，但更多保存的化石還是葉片。這種植物在葉片的外形上很多變，如下面的兩張圖片，紅色的葉片又窄又長，而灰色葉片［來自澳大利亞亞當斯敦（Adamstown）］的外形則更傾向於橢圓。
體型大小：這種植物能長到6 米高。
時空分布：舌羊齒興盛於超級大陸「岡瓦納大陸」之上，時代是二疊紀到三疊紀，它的化石分布在現今的澳大利亞、南極洲、南美洲、非洲南部、馬達加斯加、印度以及紐西蘭。
化石故事：這種植物化石佐證了大陸漂移假說，有極大的學術價值。
錐葉蕨 [CONIOPTERIS]
錐葉蕨是蕨類的一種，與今天見到的蕨類植物非常類似，小葉從中央的莖幹長出，並且每片小葉都有鋸齒狀的葉緣。
體型大小：這些化石大約2 釐米。
時空分布：這種植物來自北美洲、歐洲及亞洲的中生代地層。
化石故事：圖中這簇葉片已經變成碳質薄膜，保存在富含鐵質的砂巖之上。
威廉姆遜蘇鐵 [WILLIAMSONIA]
這是一種蘇鐵植物，蘇鐵植物可再分為蘇鐵和本內蘇鐵（Bennettitales），而威廉姆遜蘇鐵就是一種本內蘇鐵。本內蘇鐵這個類群已全部滅絕，它們有著木質的樹幹和粗糙的羽狀葉片。
體型大小：圖中化石長約2.5 釐米，整株植物能長到2米高。
時空分布：本內蘇鐵分布範圍從三疊紀到白堊紀晚期，而威廉姆遜蘇鐵則廣布於全球的侏羅紀地層中。圖中的化石來自英國北約克郡（North Yorkshire）的侏羅紀巖石中。
化石故事：威廉姆遜蘇鐵在其樹幹的頂端有球果組成的花朵，胚珠和花粉都長在同一株植物上。大多數的葉片都像圖中那樣，在保存過程中變成了圍巖上的一層碳質薄膜。
銀杏 [GINKGO]
包含銀杏在內的蘇鐵類植物和近親的本內蘇鐵植物不同，它們雄和雌的繁殖器官長在不同株植物上，雌樹有胚珠和球果，而雄樹則帶有孢子囊。大部分蘇鐵類植物的葉片呈三角形或扇形，並在其上有很深的裂縫，這些葉片的化石形態和現生的銀杏都很相像。
體型大小：今日的銀杏能長到約30 米高，圖中的葉片長2.5 釐米。
時空分布：在二疊紀至今的世界各地地層中都能找到，圖中的化石來自侏羅紀時期的英國北約克郡。
化石故事：銀杏在現今的中國分布非常廣泛。
柳樹 [SALIX]
這片化石葉子來自一株上古的柳樹，屬於被子植物的一種，也就是我們現在常見的開花植物。被子植物起源於白堊紀時期，並在新生代開始多樣化。柳樹的葉子非常多變，不過大多中央都有主軸以及主脈和支脈。
體型大小：圖片的化石長3 釐米。
時空分布：這種植物廣布於世界各地始新世至今的地層中，圖中化石來自美國科羅拉多州的始新世地層。
化石故事：柳樹生活於涼爽的溫帶地區，甚至有些在寒冷的溫帶。花粉可以保存很久，而許多種類的植物只在特定氣候條件生長，因此顯微觀察辨別泥炭或其他沉積中的花粉粒，有助於我們了解當時的氣候。
楓木 [ACER]
楓木是被子植物的一種，和懸鈴木是近親，它的葉子有個主要的尖端和兩側較不明顯的側端，葉片中央有主脈和許多小支脈。楓木是一種落葉植物，因此每年都會產生新的葉子。
體型大小：右圖中的葉子約5 釐米寬。
時空分布：這種植物廣布於全球始新世至今的地層中，圖中顯示的化石來自法國北部的中新世地層。
化石故事：楓木的果實非常有特色，內含兩顆種子並且各有一片長長的「翅膀」附著在上面。
化石：遠古的饋贈
[英] 克裡斯·佩蘭特 海倫·佩蘭特 著
廖俊棋 胡晗 譯
生活·讀書·新知三聯書店 2020-6
ISBN: 9787108066879 定價：88.00元
原標題：《植物化石：貼在巖石表面的精美圖畫》
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