化石的研究涉及到兩大類不同的學科，即地質學和生物學。在地質學中，通過化石的研究，我們可以了解到古氣候、古地理、古生態環境，還能對地層層序進行時間上的定位；在生物學中，古生物學是類群生物學科中的一個重要分支，通過研究，對生命的起源、生物的進化、環境對生物的影響及生物的分類系統等都有著十分重大的意義。
化 石
康拉德·格斯納(1516～1565年)
瑞士的格斯納被公認為是16世紀最偉大的博物學家。他共出版了72部巨著，還留下18部未完成的作品。1565年，就在他因染瘟疫而死于蘇黎世的那一年里，他完成了極具創新意義的《論礦物質的性質》，標志著新興學科古生物學的開端。
對同代人來說，“化石”一詞包括礦石和有機物殘骸在內的所有從地底發掘出來的自然物體，因此，他們很難弄懂被格斯納稱作“石頭凝結物”的到底是什么東西。即使是在今天，破譯化石之謎仍不是一件容易的事情，因為在化石形成的過程中，不僅有機體殘余部分的本來屬性會變得難以辨認，而且一些無機物還會呈現出有機物的外觀。
格斯納按照地帶對化石進行命名和分類，并能很準確地鑒別化石，他最早在書中加入了化石插圖。盡管他的解說中存在著一些失誤之處，但很多論述都精辟而敏銳。比如，當時人們都認為“舌石”是天外飛來之物，而格斯納卻將鯊魚的牙齒和“舌石”相提并論，說明他沒有忽視兩者之間的相似性：所謂的“舌石”其實就是鯊魚的牙齒。
地質層
尼古拉斯·斯臺諾(1638～1686年)
斯臺諾在檢查鯊魚的頭時，發現鯊魚的牙齒很像一種被稱作“舌石”的化石，從此對化石產生了濃厚的興趣。
1669年，斯臺諾在出版的《預言》一書中提出：“如果一個物體通過自然的方式擁有了某種形狀，就能在物體自身找到證據來顯示它形成的地點和形成方式。”被認為是“化石”的有機物和無機物為什么種類如此繁多，又是怎樣形成的，這都是當時引起爭議的問題。斯臺諾證實，和實驗室里的水晶一樣，沉淀會使石英晶體變大；而與此相反的是，貝殼類的增長模式反映出貝殼里的生物的“有生命”的生長過程，因此其體積不可能在巖石中變大。
但是，要使人們相信這些貝殼化石是有機體，斯臺諾必須先說明它們為什么會在遠遠高于海平面的內陸巖石里出現。借用在托斯卡納地區的實地研究結果，斯臺諾論證說，起初在海床上沉淀了一些沙土層、礫石層和貝殼層，它們一層層平鋪在海底，之所以現在發現的巖層通常是褶皺起伏的，那是因為后來地球史中發生的一些變故導致了巖層的抬升。斯臺諾提出沉淀發生在兩個不同的時期，第一次發生在很早以前，形成了沒有化石的下層巖層；第二次發生在生命形成之后，形成了富含化石的上層巖層。這是人們在推論地球和生命的發展史時第一次想到化石。
化石群
威廉·史密斯(l769～1839年)
威廉·史密斯是當時英國的運河勘探工程師，他發明了研究地質形成的地層學方法。史密斯指出化石可以用作地層學研究，后來又證明化石對于確定相關的地層年代有重要意義。
作為一名職業的運河勘探工程師，史密斯深深地被迅猛擴展的運河網絡迷住了。史密斯認為，準確地預測巖石的基底對于開鑿運河具有重大經濟意義，通過探查地層中的典型化石，人們就能夠準確測算出它們的傾斜度并劃定它們的地質分布區域。史密斯能夠在鄉村廣袤的田地上預測和勾畫出地下巖層的準確位置。
史密斯花費數年的時間終于繪制出全國第一張地質圖。1815年，他出版了《英格蘭和威爾士地質圖》一書。這是世界上最早的大規模的地質圖之一。
伯吉斯頁巖
查爾斯·都利特·沃爾科特(1850～1927年)
在加拿大落基山脈的瓦普塔山，美國古生物學家沃爾科特發現了5.2億年前的富含化石的巖石——伯吉斯頁巖，這里布滿了成千上萬保存完好的古代海底沉積物化石。有些化石的柔軟部分還沒有損壞。它們提供了寒武紀時期海洋中螃蟹等無脊椎動物的祖先——節肢類動物全盛期的生活畫卷。
遠古時期，伯吉斯海洋中主要有三葉蟲（已發現20多種）、海綿狀物、棘皮類動物、腸狀蠕蟲、軟體動物、腕足類動物等。生物多樣性表明已經形成類似現代海洋生態圈的“勞動”分工制。生物多樣化及生態進化速度之快使科學家們對寒武紀前、寒武紀時期復雜的生命感到更加疑惑，他們推測可能早期的多細胞動物進化期一直延續到寒武紀。
最古老的化石
埃爾索·巴洪(1915～1984年)
地球46億年的歷史可以分為兩大宙：顯生宙和前寒武紀(或隱生宙)。化石發現證明在長達5.45億年的顯生宙時代物種極其繁盛。而在40多億年的隱生宙時代，沒有任何生命存在的跡象。但在20世紀60年代，埃爾索·巴洪在加拿大西安大略的岡弗林特艾恩斯通的裸露的巖層中發現了20億年前的隱生宙微生物化石。查爾斯·達爾文也了解前寒武紀生命記錄的缺失。代表動物王國幾大分支的化石突然出現在已知的最低的(寒武紀)化石巖層中，達爾文對此非常困惑。
在加拿大的巖層中發現的前寒武紀化石，受到了廣泛的關注，當時幾乎沒有人知道早先其實已經在俄羅斯發現了前寒武紀孢子化石。
后來借助于傳輸電子顯微鏡，人們又在岡弗林特艾恩斯通的富含硅的黑硅石沉積層中發現了保存完好的微生物化石。1965年，巴洪和斯坦利·泰勒描繪了這種微生物，認為它們與疊層結構有關，可以回溯到大約20億年以前。
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