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动植物被保藏于地下且和本体相近的遗骸被叫作化石。这个单词来自拉丁单词fossilis，意思是“被挖出来的东西”。化石的不同类型取决于遗骸和有机体死亡时的状况。化石由有机体坚硬的部分形成，例如牙齿、贝壳、骨骼、木头；也可能完全保留本体的特征，整个有机体被方解石或黄铁矿之类的矿物质取代。除了岩石，动植物也可能被保存在其他物质当中，比如冰、柏油、泥煤、古树的树脂。
从38亿年前的岩石中，人们发现了单细胞生物的化石。而动物化石则首次出现在10亿年的岩石中。化石之所以出现在不寻常的场所，例如南极洲的恐龙化石、西伯利亚草原的鱼化石，是因为构成地壳的大陆板块的运动，或者像冰河时期这样一段时期内的环境变化。对于南极洲出现恐龙化石的最好解释并不是恐龙起源于此，而是南极洲曾是具有很多生命形式的大型大陆的一部分。
化石的形成有很多种方式，取决于遗骸的类型和当时的环境状况。总的来说，大多数化石的形成过程基本相同：动物的坚硬部分，例如骨骼、牙齿、贝壳及植物的种子、木质部分被沙子、泥之类的沉淀物掩埋，经过数百万年，随着一层层沉淀物的积累，这些遗骸在土壤中埋藏得越来越深。沉淀物最终变成岩石，而遗骸通过化学作用被矿化，成为一种石头的形态（这些化石种类经常被认为是博物馆中所看到的再造恐龙骨架）。同样的过程也产生了木化石、粪化石（石化的排泄物）、印模化石、石膏化石、铸型化石、遗迹化石。
大多数化石发现于沉积岩中——沙子、泥之类的沉积物逐渐积累而形成了这些岩石。风和其他气象状态冲走了陆地上的沉积物，将沉积物带到水体中。因此，海洋生物化石比陆地生物化石更常见。陆生动植物化石大多被保存在风平浪静的湖泊、河流或河口的沉积物当中。
化石也包含着未改变的原始材料。骨骼、牙齿通常以这种方式留存。然而，完全矿化（也可叫作石化）更易发生，循环的地下水携带的二氧化硅和碳酸钙（有时也可能是黄铁矿之类的其他矿物）填满了骨骼和牙齿的孔隙。这些遗骸本质上是原始骨骼和有机材料的复制品。
不是所有的有机体最后都会变成化石，生物体变成化石的概率通常很低。许多有机体会腐烂消失，或被其他动物嚼碎。正因如此，一些科学家推测，尽管生活在地球上的动植物群落有数十亿，但只有很少一部分最后形成了化石。我们找到的化石，只是曾经存在的动植物中很小的一部分。
>>> 从周围的岩石中清理出化石，是一项小心翼翼的工作，会消耗上百小时的时间，因为古生物学家不希望破坏花费了数百万年才形成的制品。（iStock）
如果有机体在死后迅速被潮湿的沉积物覆盖，保护腐烂的有机体不会被食肉动物、食腐动物和细菌侵犯，那么有机物将会获得形成化石的最佳机会。有机体中柔软的部分（例如皮肤、细胞膜、组织、器官）迅速腐烂，留下骨骼和牙齿。已发现的大部分化石都可追溯到5亿年以前，这时有机体刚开始长出骨骼和其他坚硬的部分。下面是以恐龙为例的石化步骤，大致显示出了一只恐龙变成化石的困难程度。
食腐和腐烂 ——恐龙死亡后，食腐者很快就会将恐龙身上的软肉撕去。未被吃掉的部分以或缓或急的速度腐烂，这取决于当时的普遍气候。无论如何，很短的时间内便剩下骨架。但即使是遗留下的坚硬的部分也不会亘古不变。它们往往会被周围的风、水、阳光、化学物质的运动所腐蚀，被磨圆或成为碎片。
地点 ——如果恐龙骨架所在区域没有发生迅速的掩埋，那么骨架石化的机会十分渺茫。骨骼将会破裂、粉碎，常因河道的改变和洪水的冲刷而被带走。但是，这种移动偶尔会把骨骼运到类似河流沙滩等更易保存的区域，增加其石化机会。
掩埋 ——化石形成过程中，最重要的步骤便是掩埋。恐龙骨骼被掩埋的速度越快，完好化石的形成概率越大。无论是在移动之前还是移动之后，如果骨骼被泥土或沙子覆盖，便能降低未来损害；另外，越少暴露在氧气中，恐龙骨骼额外的损害越低。然而，骨骼上方沉积物数量增加而带来的压力，或是来自溶解在沉积物中的酸性化学物质，仍然带来一些损害。
石化 ——第四步就是石化的真正过程。在这一步，化石周围的沉积物由于上层覆盖的沉积层的压力和水分短缺而成为岩石。最终，颗粒联结到一起形成坚硬的结构，我们称之为岩石。当骨骼结构中的空间被方解石（碳酸钙）或者其他含铁矿物质充满时，恐龙骨骼便被石化了；而骨骼的真实矿物质——磷灰石（磷酸钙）可能已经重新结晶了。
曝光 ——最后，深埋的恐龙骨骼必须在发掘地的表面曝光。这一过程包括含骨骼的沉积岩上升到表面，风和水侵蚀石化的骨架。如果骨骼没有被及时找到，风和水的作用会破坏古老物种的记录。
化石记录中为什么会有缺口？
化石记录中的缺口——根据已知化石得知的“失踪的”代纪和进化时期——大多是侵蚀的结果。地质作用通过风、水和冰的作用侵蚀了岩层和嵌在其中的化石。化石记录中的缺口也可能是由山脉隆起和火山运动导致的，山脉隆起破坏了化石，炙热的岩浆改变了岩石的物理状态，埋葬了化石的迹象。
今天有很多种判断化石年龄的方法。大多数方法都是间接的——通过测定化石所在的土壤和岩石的年龄来判断，而不是通过化石自身。判断化石年龄最常用的方法是，通过确定化石存在的岩石层的年龄。许多情况下，岩石的年龄可以通过岩石中所含的其他化石来判定。如果这一方法不能成功，就会用一些其他分析技术来确定岩层的时期。
确定岩石时期的一种基本方法是利用放射能。例如，地球内部的放射能不断地轰炸矿物质中的原子，使困在晶体结构中的电子变得活跃。根据这一理论，科学家使用电子自旋共振热致发光等放射性方法来确定矿物质的年龄。通过测定矿物质中现存活跃电子的数量，和已知相似活跃电子的实际增长速率数据进行比较，可以计算出积累一定数量活跃电子所用的时间。
还有其他可以确定化石年龄的方法。例如，用铀系元素测定法来测定石灰石矿床中的钍-230含量。石灰石矿床形成时含有铀，却几乎没有钍。因为科学家知道铀衰变到钍-230的速率，因此可以通过一个特有的石灰石矿床中的钍-230含量，来计算石灰石矿床的年龄和矿床中化石的年龄。
印模化石和铸型化石是两种化石类型。动植物被掩埋之后经常会腐烂，留下坚硬部分（偶尔也可能是柔软部分）的痕迹在岩石中形成一个中空的模具。如果模具被沉积物填满，就会变硬，形成相应的模铸化石。
不是所有的化石都是硬化的骨骼牙齿或者印模化石和铸型化石。有些化石仅仅是某些生物曾经爬行、行走、跳跃、挖掘或是在大地上奔跑过的证据。遗迹化石就是一种生物在沙子或泥土等沉积物中留下的痕迹。例如，小动物在湖泊沉积矿的泥中钻出有分支的隧道来寻找食物；恐龙沿着河岸寻找食物，在柔软的土壤中留下了足迹。和动物坚硬部分形成化石的过程类似，这些足迹和隧道被沉积物填满，之后被多层沉积物埋藏数百万年，最终固化。今天，我们把这种长期活动的结果看成遗迹化石。许多遗迹化石的起源都不可辨认，换句话说，留下的只有遗迹，并没有动物本身的化石。一些最著名的遗迹化石便是在变硬的沉积质中发现的恐龙行迹（例如，在美国弗吉尼亚的卡尔佩珀和科罗拉多的戈尔登附近）和人类足迹（例如，在非洲）。
>>> 化石不一定是骨骼。这些鱼化石并不是真实的骨骼，而是将鱼的形状印压在了土壤中。（iStock）
行迹和痕迹不同点在于：行迹通常是清楚的足迹，然而痕迹可能是一种动物在移动的过程当中，拖动脚或其他附加物时留下的。因此，行迹更为特殊，通过有特色的足迹可以辨认出不同的动物，但痕迹很少可以和某种特殊的动物联系起来。
许多石化的恐龙足迹被称为恐龙的行迹，它表明了很多关于恐龙速度的事实。美国亚利桑那州弗拉格斯塔夫北部纳瓦霍保留区拥有一个行迹遗址。美国自然历史博物馆的巴纳姆·布朗在20世纪30年代首次发现了这个地方，但直到最近，该地才又被重新找到。这个行迹中包括一个恐龙奔跑时留下的痕迹，它的左右足迹间距离约有2.4米宽；从这些印迹中，科学家计算出该恐龙以每小时23.3千米的速度奔跑，是已知跑得最快的恐龙之一。不过，速度最快恐龙的纪录，则由一种侏罗纪食肉动物保持，它在得克萨斯的格伦罗斯留下的行迹中，左右足迹间距离约有5米宽。它的速度经计算得出大约是每小时42.8千米，比最快的人类还要快许多。