作者：殷鸿福
出版社：湖北科学技术出版社
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生物演化与人类未来试读：
总序
我热烈祝贺“中国科普大奖图书典藏书系”的出版！“空谈误国，实干兴邦。”习近平同志在参观《复兴之路》展览时讲得多么深刻！本书系的出版，正是科普工作实干的具体体现。
科普工作是一项功在当代、利在千秋的重要事业。1953年，毛泽东同志视察中国科学院紫金山天文台时说：“我们要多向群众介绍科学知识。”1988年，邓小平同志提出“科学技术是第一生产力”，而科学技术研究和科学技术普及是科学技术发展的双翼。1995年，江泽民同志提出在全国实施科教兴国的战略，而科普工作是科教兴国战略的一个重要组成部分。2003年，胡锦涛同志提出的科学发展观则既是科普工作的指导方针，又是科普工作的重要宣传内容；不是科学的发展，实质上就谈不上真正的可持续发展。
科普创作肩负着传播知识、激发兴趣、启迪智慧的重要责任。“科学求真，人文求善”，同时求美，优秀的科普作品不仅能带给人们真、善、美的阅读体验，还能引人深思，激发人们的求知欲、好奇心与创造力，从而提高个人乃至全民的科学文化素质。国民素质是第一国力。教育的宗旨，科普的目的，就是为了提高国民素质。只有全民的综合素质提高了，中国才有可能屹立于世界民族之林，才有可能实现习近平同志最近提出的中华民族的伟大复兴这个中国梦！
新中国成立以来，我国的科普事业经历了1949-1965年的创立与发展阶段；1966-1976年的中断与恢复阶段；1977-1990年的恢复与发展阶段；1990-1999年的繁荣与进步阶段；2000年至今的创新发展阶段。60多年过去了，我国的科技水平已达到“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”的地步，而伴随着我国社会主义事业日新月异的发展，我国的科普工作也早已是一派蒸蒸日上、欣欣向荣的景象，结出了累累硕果。同时，展望明天，科普工作如同科技工作，任务更加伟大、艰巨，前景更加辉煌、喜人。“中国科普大奖图书典藏书系”正是在这60多年间，我国高水平原创科普作品的一次集中展示，书系中一部部不同时期、不同作者、不同题材、不同风格的优秀科普作品生动地反映出新中国成立以来中国科普创作走过的光辉历程。为了保证书系的高品位和高质量，编委会制定了严格的选编标准和原则：一、获得图书大奖的科普作品、科学文艺作品（包括科幻小说、科学小品、科学童话、科学诗歌、科学传记等）；二、曾经产生很大影响、入选中小学教材的科普作家的作品；三、弘扬科学精神、普及科学知识、传播科学方法，时代精神与人文精神俱佳的优秀科普作品；四、每个作家只选编一部代表作。
在长长的书名和作者名单中，我看到了许多耳熟能详的名字，备感亲切。作者中有许多我国科技界、文化界、教育界的老前辈，其中有些已经过世；也有许多一直为科普事业辛勤耕耘的我的同事或同行；更有许多近年来在科普作品创作中取得突出成绩的后起之秀。在此，向他们致以崇高的敬意！
科普事业需要传承，需要发展，更需要开拓、创新！当今世界的科学技术在飞速发展、日新月异，人们的生活习惯和工作节奏也随着科学技术的进步在迅速变化。新的形势要求科普创作跟上时代的脚步，不断更新、创新。这就需要有更多的有志之士加入到科普创作的队伍中来，只有新的科普创作者不断涌现，新的优秀科普作品层出不穷，我国的科普事业才能继往开来，不断焕发出新的生命力，不断为推动科技发展、为提高国民素质做出更好、更多、更新的贡献。“中国科普大奖图书典藏书系”承载着新中国成立60多年来科普创作的历史——历史是辉煌的，今天是美好的！未来是更加辉煌、更加美好的。我深信，我国社会各界有志之士一定会共同努力，把我国的科普事业推向新的高度，为全面建成小康社会和实现中华民族的伟大复兴做出我们应有的贡献！“会当凌绝顶，一览众山小”！中国科学院院士、华中科技大学教授：
第一部分
一、记录生物史的特殊“文字”——化石
什么是化石化石（fossil）这个词，是由拉丁文fossilis演变而来，其原意是指“从地底挖出来的东西”。以前人们的确也是运用这个词来形容任何由地球表层挖掘出来的“石质”珍品的，无论其为植物、动物或矿物。现在，随着古生物材料的积累和古生物学的产生和发展，化石这个词当名词用的时候，只限于指保存在岩层中的地质历史时期的生物遗骸和遗迹了。也就是说，化石必须具有生物属性或能反映生物的生活活动，而那些保存在岩层中的矿质结核、漂亮的卵石，由于它们既不具备生物属性，也与生物的活动无关，因此不是化石。此外，化石还必须是保存在地质历史时期形成的岩层中的生物遗骸和遗迹，那些被埋藏在现代沉积物中的生物遗体或人类有史以来的文物都不属于化石的范畴。
人类对化石产生兴趣，可追溯到很古老的年代。但直到18世纪，人们才开始真正以科学的眼光来从事化石的研究。
我们祖先对化石的生物属性的认识比西方人要早好几百年。早在公元初年，东汉时的《神农本草经》中就已有龙骨的记载，认为这是龙死后留下的遗骸。南北朝时的陶弘景（456-536）已经知道琥珀中的昆虫是由松树流出来的松脂粘住昆虫后埋入土中，经过长久的地质过程形成的。唐朝中期的书法家颜真卿（709-784）在《抚州南城县麻姑山仙坛记》碑文中指出：“南城县有麻姑山，顶有古坛……东北有石崇观，高石中犹有螺蚌壳，或以为桑田所变。”这说明，他已领悟到地壳的沧海桑田变迁，并能利用化石来判断当时当地的环境。北宋杰出科学家沈括（1031-1095）在《梦溪笔谈》中进一步指出：“予奉使河北，遵太行而此，山崖之间，往往衔螺蚌壳及石子如鸟卵者，横亘石壁如带。此乃昔之海滨，今东距海已近千里。所谓大陆者，皆浊泥所湮耳。”之后，宋代朱熹（1130-1200）亦有“尝见高山有螺蚌壳，或生石中，此石即旧日之土，螺蚌即水中之物，下者却变而为高，柔者却变而为刚”的论述。然而，在欧洲，虽然古希腊人对化石早已有了一些较正确的认识，但由于教会势力的长期统治，到中世纪时，一般还把化石当作造物主弃置的失败产品。直到文艺复兴时期，意大利著名的艺术家兼工程师达·芬奇（1452-1519）才第一个对化石作出了正确的解释。自此之后，人们陆续发掘出大量化石，并从生物学角度进行了研究。到18世纪与19世纪交替之际，以化石为研究对象的古生物学已发展成为地球科学的一个重要的分支学科。化石是怎样形成的
化石是由地质历史时期生物的遗体或其生活活动的遗迹被沉积物埋藏之后，在沉积物的压实、固结成岩过程中，经过化石化作用形成的。
那么，是不是所有生物的遗体，或者每种生物所有的组织和器官都能成为化石呢？不是的。化石的形成和保存需要一定的条件。条件不同，所形成化石的类型也不同。
现在，我们来看一看化石形成和保存所需要的条件。化石的形成和保存主要与以下条件有关：（l）生物体是否具有由化学性质较稳定的物质组成的硬体（如贝壳、骨骼等），生物硬体的部分保存为化石的可能性较大；（2）生物遗体或遗迹所在环境的物理化学条件是否适合于保存。例如，波浪作用强烈的水域环境不利于生物遗体和遗迹的保存；环境介质的pH值小于7.8时，由碳酸钙组成的生物硬体容易受到溶蚀，故也不利于生物遗体的保存；氧化条件下也不利于有机质的保存；（3）生物死亡后是否迅速被埋藏。如果生物死亡后，它的遗体能够被迅速而长期埋藏，那就比较容易形成化石；（4）沉积物的类型对化石的形成和保存也有重要影响。如果钙质生物遗体被化学沉积物（如CaCO）所掩埋，由于两者同质，遗3体与外界交代作用少，形成化石的可能性比较大；（5）在沉积物固结成岩的化石化过程中，强烈的压实作用和重新结晶的作用，不利于化石的形成和保存。
由于形成化石的条件不同，保存在岩层中的化石也有不同类型。按化石保存特点不同，大致有实体化石、模铸化石、遗迹化石和化学化石四种类型。其中研究得比较深入、意义比较大的是实体化石。在实体化石中，生物遗体全部保存为化石的十分罕见，较常见的是只保存了生物体易保存的某一部分，如一颗牙齿、一块骨头、一枚贝壳或一片叶子等。
1901年在西伯利亚第四系冻土层里发现的猛玛象化石（图1-1），不仅骨骼完整，皮、毛、血、肉，甚至胃中的食物也保存了下来。这是由于约2.5万年前在该地生活的猛玛象死亡之后，被迅速地埋藏在冻土中所致。图1-1 冻土中的猛犸象
在我国辽宁省抚顺煤田的主煤层中，含有大量精美的由松脂固结变成的琥珀，其中有一些保存完整的昆虫（如蚊、蜂等）（图1-2）。图1-2 保存有昆虫的琥珀
必须指出，在化石化过程中，生物硬体原来的成分可能部分或全部被地下水中的矿物质所取代，或者其中稳定性较低的含氮、含氧物质经分解和挥发作用而挥发消失，仅留下了稳定性高的碳质部分，如植物的叶子化石通常是碳质的薄膜（图1-3）。由于化石的形成和保存需要苛刻的条件，因此，保存在岩层中的化石，实际上只是当时生存生物的极少数，而即使这极少数生物，也只保存了其遗体非常少的一部分，这就是生物史记录的不完备性。尽管如此，我们仍可通过化石的研究，揭示不同地质历史时期生物界的概貌。图1-3 呈碳质膜的植物化石 枝脉蕨，三叠纪化石，把生物史记录在沉积地层中的特殊“文字”
我国有文字记载的历史已经有3600多年。商周时期是我国最早有文字记载的历史时期。自此之后，历代的政治、经济和文化状况，都以文字记入了史册。要了解我国古代社会的发展及不同历史时期的情况，从查阅史册就可以了解其大概。
地球的历史比人类社会史长得多，已经有约46亿年了。根据地质演化和生物进化，地球历史学家将地球的历史划分为冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙。显生宙又分为古生代、中生代、新生代等各个地质时代。地球上的生物史比地球的历史短，有35亿多年。迄今所知，最早的古生物化石发现于澳大利亚西部和南非距今约35亿年前太古宙的沉积岩层中。生物界的发展，历经上述各个地质时代，一直延续至今。怎样才能了解不同地质时代生物界的情况呢？主要的办法是研究保存在不同地质时代形成的沉积岩层中的古生物化石。
我们现在已经知道，像现在我们看见的各种植物和动物都有或长或短的寿命一样，古代的植物和动物也是有寿命的。除生物个体有寿命外，各种植物和动物的物种也有寿命，只不过物种的寿命比个体的寿命长得多罢了。譬如，人的寿命一般为70~90岁，最多也不过150岁，但人这个物种的寿命已有20多万年了。地球上的生物史，实际上是旧的物种先后灭绝，新的物种相继诞生的历史。旧物种的个体死亡之后，它们的遗体被沉积物埋藏，在压实和固结成岩过程中，经过化石化作用，形成化石，保存至今。这样，地球上各地质历史时代生物类群及其生活活动的情况，就以化石这种特殊“文字”记录在沉积地层这部巨厚的“史书”中了。如果你想了解某个地质时代生物界的概况，就要对在该地质时代形成的岩层中发掘出的化石进行研究。当然，了解地球上的生物史比了解人类社会史要难多了，因为沉积地层这本“史书”，有成千上万米厚，要想翻阅它，可不是一件容易的事。
18世纪末，英国工程师史密斯（1769-1839）在参加开凿运河的土地测量工作时，首先“翻阅”了英国中生代的沉积地层，发现不同时代形成的岩层中所保存的古生物化石有明显差别。他认为，保存有相同化石的岩层，是形成于相同的地质时代，可以进行对比。他的这一重要发现和认识，开创了运用地层中保存的化石进行地层的划分和对比，确定其相对地质年代的生物地层学研究方法，为地层学中地质年代表的建立奠定了科学基础。
经过各国地层学家和古生物学家几代人的努力，现在已经基本上了解了各地质时代生物界概况并建立了地质年代表（表1-1）。从地质年代表中可以看出：不同地质时代的生物界有其明显特征；距现今的时代愈久远，生物愈原始；反之，则愈接近现代生物的面貌。在距今6亿年以前的太古宙、元古宙海洋中的生物主要是微生物，也有一些藻类，即使有了一些多细胞动物，那也是一些不具坚硬壳体的种类。表1-1 年代地层单位与生物演化简表（括号内的宙、代、纪、世等是与年代地层单位宇、界、系、统相当的地质年代）
注：Gradstein等（2012）对太古宙和元古宙提出了重新划分的建议。
在元古宙与显生宙界线附近，出现了带硬壳的动物。早古生代寒武纪时，身体被两条纵沟分成三部分的三叶虫特别繁盛（图1-18）。在奥陶纪和志留纪，笔石动物（图1-22）繁盛，由于它们的演化速度快、物种寿命短、分布也很广泛，因此成为这个时期地层划分与对比的标准化石。在距今4亿多年前的志留纪晚期，裸蕨类植物登陆成功，使地球上的陆地开始披上了绿装。
在晚古生代的泥盆纪，地球上的各种水域里生活着各种各样的鱼类，它们有的生活在海水中，有的生活在淡水中，还有的披着“盔甲”呢！（如泥盆纪时的沟鳞鱼，图1-29）到了泥盆纪晚期，一些可以用“肺”进行呼吸的鱼类用肉质鳍登上潮湿的泥沙滩匍匐而行，经过长期演化，最后演变成了像现代的青蛙那样能够水陆两栖的两栖动物（如泥盆纪晚期的鱼石螈就是其中较重要的化石，图1-36）。两栖动物虽然可以爬上陆地生活，但还不是真正的陆生动物，因为它们的繁殖还离不开水，产卵、受精、孵化和幼体生长发育都是在水中进行的。到距今3亿多年前的石炭纪早期，由两栖动物演化产生了爬行动物。由于爬行动物能产羊膜卵，这种卵可以不依赖外界水环境进行胚胎发育，可以在陆地上孵化，使它们的繁殖摆脱了对水环境的依赖，成为陆地的真正征服者。有一些爬行动物（如海龟）虽然后来又返回到水中生活，但繁殖时仍要回到陆地上产卵。
又经过将近1亿年的演化，到距今2亿多年前的中生代三叠纪晚期，由爬行动物演化产生了哺乳动物。在距今1.5亿多年前的侏罗纪晚期，又由爬行动物演化产生了鸟类。尽管哺乳动物和鸟类已先后在中生代的不同时期产生，但它们的种类和数量都还比较少，仍以爬行动物在各个生态领域中占据优势，因此中生代又被称为爬行动物时代。
到距今6600万年的新生代，哺乳动物已取代爬行动物而占优势地位，因此称新生代为哺乳动物时代。人是由动物演变来的。与人亲缘关系比较接近的动物有大猩猩、黑猩猩等。人和现代的猿有着共同的祖先。据研究，人和猿的共同祖先在距今五六百万年前就已经分道扬镳，各走各的路。现代人种的直接祖先是能人这个种，它出现于距今约200多万年前。从此，生物的进化就由哺乳动物时代进入到人类时代。
伴随动物界的进化，植物界也在不断进化，由最初的菌藻类演化产生了蕨类，又由蕨类演化产生裸子植物，由裸子植物演化产生被子植物。
纵观生物的历史，就是这样总体上由简单到复杂、由低等到高等、由水生到陆生的历史发展过程。在这个过程中，旧的生物类群先后灭绝，新的类群相继诞生，地球上的生命就是这样生生不息、永无止境。
由于生物类群由低等到高等、由简单到复杂的进化过程是不可逆的，因此，在一条厚度巨大的沉积地层剖面上，自下而上（即从老到新）的不同岩层中，可以发现处于不同进化水平的古生物化石。譬如，美国亚利桑那州的大峡谷剖面，厚度巨大，记录了7亿年以来的地质史和生物史（图1-4）。该剖面的底部为元古宙的沉积，含不具硬体的水母类化石；上覆寒武纪地层，主要含三叶虫化石；在石炭系中则保存有鱼类化石；在随后的二叠系中，保存了盘龙类爬行动物化石；而在最晚沉积的中新统岩层中则含有哺乳类化石。由于在不同地质时代形成的沉积岩层中保存有不同进化水平的生物化石，因此，地层学家可以根据他所研究的地层中古生物化石群的特征确定地层的相对地质年代。图1-4 美国亚利桑那大峡谷剖面的地层和古生物1.元古宇，水母类化石；2.寒武系，三叶虫化石；3.石炭系，鱼类化石；4.二叠系，盘龙类化石；5.中新统，哺乳动物化石
二、5.4亿年前的生物界
通过初中生物学课程的学习，青少年朋友对现代生物界的面貌已有了一些了解。可是，你知道距今5.4亿年前生物界的面貌吗？据古生物学研究，5.4亿年前生物界与现代的生物界的面貌大不相同，那时没有大树，没有鲜花，地上没有走兽，天上没有飞鸟。那么，5.4亿年前的生物界究竟是怎样的呢？你想知道吗？那就请你同我一起回到5.4亿年前的地球上去看一看吧！
太古宙早期的地球上，没有海洋，没有生物，炽热而缺乏氧气。随着地球表面温度的下降，水蒸气凝聚，于距今约40亿年前形成了原始海洋，但最早的沉积岩见于距今38亿年前。
原始海洋是生命的摇篮。早期海洋沉积岩层中保存的化石，记录了5.4亿多年前的生物史。古生物学家在澳大利亚西部和南非距今35亿年前的沉积岩层中，发现了迄今所知道的最古老的微生物化石及其活动产物——叠层石，这说明，地球上的生物史已有35亿多年了。
太古宙的生物界全部为细胞结构原始、不具细胞核的原核生物，不需氧气（厌氧），靠摄取原始海洋中的有机化合物生活（异养），为厌氧异养型生物。在自然选择作用下，由厌氧异养生物分化出厌氧自养（自己制造食物）生物。后来光合自养生物（如蓝细菌）的出现和逐渐繁盛，使大气圈和水圈中自由氧的含量逐渐增加。到元古宙早期，生物界发生了巨大变化，由厌氧生物中分化产生了喜氧生物，生物的代谢水平大大提高——由无氧呼吸向有氧呼吸转变，终于导致具有细胞核的真核生物的出现。
迄今所知，地球上最早的真核生物可能出现于距今25亿多年前，其根据是在澳大利亚北部距今25亿~27亿年的沉积岩中分析出真核生物特有的生物标记物——甾烷。保存了细胞形态的真核生物化石何时出现，尚有争论，从20多亿~12亿年不等，但加拿大出现的12亿年的Baniomorpha被确定是真核生物（红藻）。
随着真核生物的出现和其代谢水平的提高，生物界的演化速率比早期明显加快，在元古宙晚期出现了有性生殖、动植物分化和多细胞有机体，形成了由动物、植物和菌类组成的三极生态系统。在元古宙晚期地层中，不仅发现了多种球状、丝状的微观藻类，而且发现了多种肉眼可见的宏观藻类的化石。图1-5 发现于澳大利亚南部埃迪卡拉地区大约5.6亿年前的庞德（Pound）石英砂岩中的形态多样而奇特的动物印痕化石复原图1.似水母类；2~3.似海鳃类；4~7.似环节动物
从新元古代（距今10亿~5.4亿年）开始，生物界中出现了多种多样的多细胞动物。动物界的演化，已由单细胞的原生动物，经过两个胚层的腔肠动物，进入到了具有三个胚层的环节动物阶段。与其后寒武纪的动物不同，新元古代的动物体一般都是裸露的软躯体，不具有保护性硬壳。这一时期的生物化石，以发现于澳大利亚伊迪卡拉距今约5.6亿年前的软躯体动物群最为有名（图1-5）。该动物群中有在海水中营漂浮生活的似水母类，在海底营固着生活的似海腮类以及在海底蠕行的似环节动物。它们在距今7亿~5.4亿年的新元古代晚期，几乎遍布于世界各地。在我国宜昌、陕南、淮南、辽南等地同一时期的地层中也发现了与之类似的动物化石。
总之，从生命在地球上起源，到新元古代结束，经过近30亿年的漫长岁月，生物界出现了缓慢而巨大的变化。生物体的细胞结构由原核发展为真核，营养方式由异养发展到自养，由化能自养发展到光合自养，代谢水平由无氧呼吸提高到有氧呼吸，生殖方式由无性繁殖发展到有性繁殖，终于在元古宙晚期导致了动物和植物的分化。动物、植物、菌类三大生态系统的形成以及生物体结构的复杂化，为生物界的后期发展奠定了坚实的基础。
三、地质历史时期的一年有多少天
青少年朋友都知道，现在的一年有12个月、365天，一天有24小时。那么，你是否也知道地质历史时期的一年有多少天？一天有几个小时？恐怕不知道吧！你想知道吗？请你到不同地质历史时期珊瑚骨骼表壁的生长带上去寻找答案吧！图1-6 石珊瑚盘状骨骼的形成
珊瑚虫是具内、外两个胚层的腔肠动物，它的外胚层可以分泌钙质，形成骨骼（图1-6）。外胚层细胞分泌钙质形成骨骼的过程，对环境因素的变化十分敏感。海水温度的季节和昼夜变化，直接影响珊瑚虫形成骨骼的速率：温度高，形成骨骼的速率快；反之则慢。因此，在珊瑚骨骼表壁上发育了反映海水温度季节和昼夜变化节律的生长带和生长线。生长带是珊瑚虫年生长变化的结果，它由膨胀带和压缩带及其间的若干生长线构成。膨胀带代表了夏季生长，因环境条件有利，珊瑚虫分泌的钙质多，致使骨骼表壁明显膨凸；压缩带可能是冬季或不利条件下的生长物。在一个生长带内，有许多宽度仅若干微米的细环脊（即生长线），这是日生长周期的反映，可能与光线变化强度有关。这样，地质历史时期不同年代的季节和昼夜变化节律，就以生长带和生长线的形式记录在珊瑚骨骼的表壁上了。难怪有人称珊瑚化石表壁上保留下来的节律生长痕迹为“古生物钟”。
1963年，威尔斯首先对距今3.6亿多年前泥盆纪半拖鞋珊瑚（图1-7）标本表壁上的生长带进行计数，确定泥盆纪时每年约400天。后来又确定石炭纪时每年约390天。为证明用生长带确定地质历史时期一年天数的正确性，他还数了现代珊瑚几个种的标本，结果为每年大约有365条生长线。这说明，根据珊瑚骨表壁的生长带，是可以确定地质历史时期一年的天数的（图1-8）。图1-7 四射珊瑚（半拖鞋珊瑚）的生长带及生长线图1-8 地质历史时期每年的天数变化（纵坐标表示每年的天数；横坐标表示同位素年龄，以百万年为单位）
如果地球绕太阳运动的轨道不变，它公转一周的时间就不大可能有变化。这就可以用下面的代数式，求出当时一天有多少个小时（x）。
365×24=400x（泥盆纪一年约400天）
x=21.9（小时）
即泥盆纪时一年的天数比现在多，但一天的时间（21小时54分）比现在少。
根据珊瑚骨骼表壁生长带，推算出泥盆纪和石炭纪时一年的天数要比现在多，而一天的时间要比现在少，这已为地球物理学和天文学的计算结果所证明。因为潮汐摩擦，使地球自转速度变慢，使每天的时间经过一个世纪后大约增加0.0016秒，故每年的天数也缓慢减少。
四、海豆芽与石燕
我们经常可以看到一群群小燕子在天空中飞来飞去，也经常可以在菜场里买到鲜嫩的黄豆芽、绿豆芽。因此，大家都知道小燕子和豆芽是什么样子的。那么，你是否知道，在古代的海洋里，曾经生活着许多像燕子和豆芽那样的腕足动物，它们就是本节要给大家介绍的石燕和海豆芽。
腕足动物是海生，底栖，具真体腔，体外披着背、腹两瓣、大小不等但两侧对称的硬壳的无脊椎动物。动物软体的最外部是紧贴在硬壳内面的两片外套膜。由外套膜围成的外套腔被横隔膜分成前后两部分，后部为内脏腔，软体大部集中于其内，前部为腕腔，其内两个纤毛腕。口位于两个纤毛腕着生点之间的横隔膜上。有腕骨支持的纤毛腕是摄食器官，通过腕和外套膜边缘纤毛的定向摆动引起的水流，既可把食物带入口中，又可将代谢的废物排出体外。在壳体的后部伸出一个可以伸缩的肉质茎，借以把壳体固着在海底硬物上或插入泥沙底质内。腕足动物出现于寒武纪早期，在奥陶纪、泥盆纪、石炭纪和二叠纪的海洋中非常繁盛，留下丰富的化石，自二叠纪末期急剧衰退以来，一直处于不景气状态，在现今的海洋中仍生存着约70属260余种。在我国沿海生存的有海豆芽和小穿孔贝（图1-9）。图1-9 小穿孔贝与海豆芽1、2、3.小穿孔贝生活状态（1、2）及纵剖面（3）；4.海豆芽生活状态
石燕是腕足动物中的一个类群，背、腹两瓣壳是钙质的。由于它的一对纤毛腕有呈螺旋状向左、右两侧延伸的腕骨支持，因此外壳的相应部分也向左右两侧延伸，形如展翅的小燕子，这种海洋动物也因此而得名。在石燕壳的外表面有许多隆起的壳褶，使之更加美观（图1-10）。在由早志留世至早侏罗世的海洋里，石燕类是海洋动物群的重要成员，也是这一时期形成的海相地层中的重要化石，很受各国古生物学家重视。此外，石燕还是一味中药呢！如果你想认识它的话，可以到中药铺里去买几个。图1-10 泥盆纪的刺罟石燕1.腹壳内螺旋状腕骨示意图；2.壳体背视
海豆芽是腕足动物中的另一个类群，它的两瓣壳双凸、直长，呈舌状，故名舌形贝，舌形贝的壳是磷酸钙质的。自两瓣壳后方伸出的肉茎可以伸缩，用以将动物体锚定在洞穴的底部（图1-9、图1-11）。洞穴是由两瓣壳的相对转动和纵向滑动，在海滨浅水的软质沉积物内挖掘而成。生活时将壳的前缘露出沉积物表面，借腕上的纤毛摆动滤食微生物。受惊扰时，肉茎收缩将壳体拉入洞穴内。它们生活时的形态类似于由土中萌出的豆芽，故又得名海豆芽。海豆芽的化石始见于早寒武世岩层中，奥陶纪时繁盛。在现代海洋浅水的泥沙质海底仍有较多海豆芽生存，与其祖先相比，仍然相似，因此海豆芽被古生物学家称作“活化石”。图1-11 海豆芽1.保存在3亿年前岩石中的海豆芽化石；2.现生海豆芽的外部形态
五、非常有趣的头足动物化石
乌贼（又称墨鱼）是大家比较熟悉的海洋动物。你不仅见过它的容貌，还可能吃过它的肉呢！你知道为什么称它为头足动物吗？因为它的运动器官兼施放墨汁的漏斗是长在头部附近的。图1-12 一个躺在奥陶纪海底的直角石图1-13 生活在海底的弯卷角石
在古生代和中生代的海洋里，也生活着许多属于头足类的软体动物（图1-12，图1-13）。它们具有外壳，有的像牛角，有的像菊花，十分有趣。由这些外壳形成的化石，被古生物学家称作角石和菊石。
就像现代的牛角有各种不同的形状一样，角石的形态也是多种多样的（图1-14），有直形的、弓形的、环形的，还有旋卷形的。角石是由许多壳室前后相继串联构成的（图1-14），壳室之间有体管相通连。当动物活着时，它的身体只住在最前面一个开敞的壳室（住室）内，而后面的那些壳室都是空着的。那么，后面的那些壳室是否一直是空着的呢？不是的。原来，在幼龄期，动物体是住在从后往前（或从内向外）数的第二个壳室的。当它的身体长大一些后，旧的壳室住不下了，就由体表分泌钙质形成新壳室。这样，随着动物体的阶段性增长，就形成了由小到大的锥形壳或旋卷壳。各壳室由（肉质）连通管连接，变成可充气的气室，有利于角石类在水中游移。图1-14 头足类壳的类型1.直角石式壳；2.喇叭角石式壳；3.短角石式壳；4.弓角石式壳；5.环角石式壳；6.锥角石式壳；7.鹦鹉螺式壳；8.触环角石式壳（壳面上的线条是缝合线，相邻两缝合线间为一壳室）
角石类始现于晚寒武世晚期，奥陶纪达到全盛，到三叠纪已大部分绝迹，延续到现代的仅一属（即鹦鹉螺，图1-15）数种，全部分布在印度洋至太平洋的热带海区。图1-15 现代鹦鹉螺及其构造1.在海底爬行；2.在水层中浮游；3.纵切面，示内部构造
菊石与角石的基本构造相似，壳体也是由许多壳室组成。主要的不同在于分隔这些壳室的隔壁的形态与构造。角石壳的隔壁都是平直的，或者稍微有一些凹曲；隔壁边缘与壳壁内面相接触形成的缝合线平直或略凹；而菊石壳的隔壁却不同程度褶皱，缝合线显著地弯曲（图1-16）。图1-16 三叠纪的假胄菊石（Pseudosageceras）1.背视；2.侧视（上部三条规则的曲折线是缝合线）
菊石类在海洋中营浮游生活，地理分布很广泛。它们在奥陶纪开始出现，自泥盆纪至侏罗纪最繁盛，于白垩纪末期灭绝。在中生代的陆地上，恐龙是占统治地位的脊椎动物；而在同一时期的海洋里，菊石类则是数量最多、占统治地位的无脊椎动物。它们死亡之后，大量的介壳堆积，可以形成以菊石壳为主要成分的石灰岩（图1-17）。图1-17 一块含有大量菊石壳的岩石（采自英国莱姆的早侏罗世地层）
随着时间的推移，菊石类壳体的旋卷方式和缝合线形态出现有规律的变化。根据这些变化，不仅可以对菊石进行分类鉴定，而且很容易确定含某种菊石的地层的相对地质年代。因此，古生物学家常常把菊石当作划分中生代海洋沉积地层的标准化石。
六、寒武纪海洋里最繁盛的动物——三叶虫
当你步入古生代的化石世界时，最先引人入胜的恐怕就是三叶虫了。你看它的体态那么的优美，整个身体分为头、胸、尾三部，背甲被两条背沟纵向分为一个轴叶和两个肋叶，真是名副其实的三叶虫（图1-18）。图1-18 三叶虫外部形态1.背视；2.腹视
三叶虫是节肢动物门化石种类中最重要的一类，已记述过的种数超过了1万个。从古生代开始（约距今5.4亿年）到结束（距今2.5亿年），在长达3亿余年的漫长时期内，三叶虫一直活跃在海洋中，尤其在寒武纪的海洋里，它们以种类多、数量大而占据绝对优势，因此，人们称寒武纪为三叶虫时代。在寒武纪之后，由于前面介绍过的角石类兴起，大量捕杀三叶虫，才使它们逐渐衰落，并于距今2.5亿年前的二叠纪末灭绝。
三叶虫的腹面长有许多对附肢，可以在海底爬行，或者在海水中漂游。由于它的身体分为许多节，在受到惊扰时，可以像许多身体分节的动物那样，将身体蜷曲起来。在地层中，有时可以看到呈蜷曲姿态保存的三叶虫化石。
由于三叶虫的身体分为头、胸、尾三部，当它们死亡之后，这三部分常常解离，所以在化石状态，整个虫体完整保存的并不多见，经常见到的仅是其头部或尾部。在我国山东省泰安市南部大汶口附近的一座小山脚下的寒武纪岩层中保存有丰富的三叶虫化石。各种三叶虫化石在石块上表现为凸起的和凹陷的“花纹”，这些“花纹”，有的像展开着翅膀的蝙蝠，有的像蝴蝶，也有一些像一颗颗的豆粒，当地的老乡把这些带有花纹的石头叫做蝙蝠石、蝴蝶石（图1-19）和豆石。研究三叶虫化石，不仅可以使我们了解这一类古老节肢动物的生物学特征，而且有重要地质意义，它是古生代早期地层划分和对比不可缺少的重要化石。此外，保存完整的三叶虫化石，还是各个国家自然历史博物馆收藏的珍品。山东泰安大汶口附近的老乡还把带有蝙蝠虫、蝴蝶虫的石块加工成砚台和其他工艺品，这些工艺品畅销国内外。图1-19 泰安大汶口寒武纪的两种三叶虫的尾部化石1.蝴蝶虫；2.蝙蝠虫
七、海星与海百合
在现代海洋中，生活着一类外形如五角星的动物，称为海星类；还生活着一类形似植物界中的百合花的海百合。由于在海星和海百合的身体表面有许多瘤突或棘刺，因此又称它们为棘皮动物。图1-20 现代海生棘皮动物1.海星；2.海胆；3.海参；4.海蛇尾；5.海百合
除海星和海百合外，大家吃过的海参，看见过的海胆和海蛇尾，它们都属于棘皮动物（图1-20）。棘皮动物尽管属于无脊椎动物，但它的骨骼并不是像一般无脊椎动物那样由外胚层发育而来的外骨骼，而是由中胚层形成的内骨骼，再加上口腔形成的方式和幼体的形态与原始脊索动物相似，因此人们认为棘皮动物是脊索动物的近亲，为无脊椎动物中最高等的类群。
棘皮动物的骨骼有一个显著的特征，那就是组成骨骼的矿物——方解石具有网状结构。对于地质古生物学家来说，了解这一特点特别重要。因为只要根据一小片骨骼化石，观察其方解石是否具有网状结构，就可以确定该骨片是不是棘皮动物的遗骸。如果是棘皮动物的遗骸，那就可以进一步确定保存该骨片的地层可能是海相地层，因为所有的棘皮动物都是海生的。
在棘皮动物中，海星的体制是典型的五出辐射对称，由中央体盘向四周发射出五个突出的腕，形似五角星。它们的身体扁平，口面向下，反口面向上，腕上长许多管足，借管足末端的吸盘吸着海底而移动身体。海星类最早出现于距今4.4亿多年前的奥陶纪晚期，经过长期演化延续至今，在现代海洋中仍然比较繁盛。
海百合的身体分为茎（包括根部和柄）、萼、腕三部分，为有柄的棘皮动物，大多以茎固着生活于海底或浮木上，远远望去，好似植物中的百合花，因此而得名。海百合的茎由一系列钙质茎环连接而成，基底有时生根，或呈锚状，用以固着于海底。茎的顶端为萼，形似花萼。萼上着生5个具有许多羽枝的腕。现生海百合中无茎的种类，借助腕上羽枝的摆动可以在海底移动，主要生存于浅海，但有茎的种类则大多过着固着的底栖生活，在印度洋和太平洋底部常常密集成群。古生代和中生代的海百合，大多在浅海底栖。海百合类最早出现于距今约4.8亿年前的奥陶纪早期，在漫长的地质历史时期中，曾经几度（石炭纪和二叠纪）繁荣，其属种数占各类棘皮动物总数的三分之一，在现代海洋中生存的尚有700余种。在海百合类繁盛时期（石炭纪和二叠纪）形成的海相沉积岩中，海百合化石非常丰富，甚至可以成为建造石灰岩的主要成分，但所见到的，多为分散的茎环，而完整的海百合化石十分罕见（图1-21）。图1-21 许氏创孔海百合化石（贵州关岭，晚三叠世）
八、奇异的笔石
笔石是一类在距今约3.5亿年前就已灭绝了的海洋动物，距离我们生活的时代已经很久远了，所以大家对它们都很陌生。由于它们在距今4.2亿~4.8亿年前的奥陶纪和志留纪海洋中非常繁盛，受到各国古生物学家和地层学家重视，因此有必要把它们介绍给大家。
一提到“笔石”这两个字，大家一定会以为这类化石的形状像我们写字用的笔。其实，笔石的样子一点也不像我们现在所用的笔，倒有点像是雕刻在岩石层面上的象形文字。笔石这个名字的拉丁文原意就是雕刻的意思。图1-22 单笔石类图1-23 双笔石类
笔石动物的个体很小，每个个体都居住在一个被称作“胞管”的管子中，而各个胞管又很有秩序地、一个紧贴一个地排列在一根“笔石枝”上，就像一根小锯条上的一些锯齿。有的笔石枝上只有单列胞管，如单笔石类（图1-22）；有的具双列胞管，如双笔石类（图1-23）；而一个笔石体又是由一枝、二枝或若干枝笔石枝构成。如对笔石（图1-24）的笔石体有两个笔石枝，胞管呈直管状，紧密排列在枝的内侧。因此，我们说，笔石是由若干个体集合而成的群体动物。有时，多个笔石体聚生在一个浮泡上，形成一个笔石簇（图1-25）。图1-24 对笔石的笔石体
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