石 中 謎 -- 探索古生物
盧招如* 羅珮華**
*臺北縣立新莊國民中學
**國立臺灣師範大學 科學教育中心
前 言
似乎每個人的兒時，都會詢問父母同樣 的問題：「我是從那裡來的？」長大成人後， 更 見 識 到 在 世 界 各 個 角 落 多 樣 化 的 生 態 系 裡，棲息著各種不同的生物，心中不免泛起 類似的問題：它們是何時開始存在的？它們 的祖先與我們的祖先有關聯嗎？ 在 18 世紀以前，地質學尚未蓬勃發展 時，對於這個謎團，多半的人都接受哲學家 的臆測或推斷。但是隨著工業革命的浪潮， 科學運動的啟蒙，對於大自然現象的質疑， 經由一點一滴的分析、推論與驗證而獲得合 理的解答。當我們在探索生命的存在與起源 時，我們慶幸所居住的這個地球，擁有一個 極佳保存〝記憶〞的工具──地層，為我們 留 下 漫 長 時 間 中 完 整 和 不 完 整 的 地 球 上 訊 息 ， 人 們 再 藉 由 各 種 科 學 理 論 與 工 具 的 發 展，慢慢解開地層中的故事。 因此，當人們開墾土地、闢建道路時， 有時可以從地層中挖掘到許多除了沙石、泥 土之外的東西，例如煤炭、貝殼化石（圖一） 或動物骨骼化石等，因此在沒有植被的岩石 表面上，常可以看到化石的蹤影。你是否曾 經注意過化石呢？化石又有哪些種類呢？它 們和一般岩石有何不同處？化石有什麼用途 呢？ 本模組教材著重以活動過程來培養學生 細心觀察、理論分析與演繹的科學能力，並 且以資料閱讀方式，讓學生了解化石的相關 知識和概念。 圖一 地層中的貝殼化石。模組教材使用流程
流 程 內 容
學 前 測 驗
1. 你知道什麼是「化石」嗎？請簡單說明它 的意義。 2. 生物死亡後，那些遺骸部分是比較不容易 腐爛敗壞的？ 3. 動 物 遺 骸 或 生 前 的 活 動 痕 跡 如 何 被 保 存 在地層中呢？ 4. 如何從古生物的化石中，了解它們的生活 習性呢？分組研討活動 I
猜猜我是誰
一、活動說明 1. 教師可以找幾樣的日常生活用品，或樹葉 或借用小孩子的手腳印等，用黏土或石膏 將 它 們 製 作 成 模 型 樣 本 ， 提 供 給 學 生 使 用。學生分組後用抽籤方式，選取他們所 要觀察的樣本模型。 2. 經由學生的仔細觀察並討論後，請學生將 這 個 模 型 的 主 要 特 徵 紀 錄 於 活 動 紀 錄 單，並決定它是何種物品的模型。 學前測驗 【閱讀資料 I】 生命歷程的印記－ 化石 學後活動 【分組研討活動 II】 組裝恐龍模型 【分組研討活動 I】 猜猜我是誰 【閱讀資料 II】 恐龍之謎 1.恐龍是卵生？還是胎生？ 2.恐龍是恆溫動物？還是變溫動物？ 1.由教師提供 2 至 3 套紙板或木板做的恐龍骨骼化石替代標本，將 其混合後，由各組拼裝組合成完整的一具恐龍骨架模型。 2.教師經由問題的引導，使學生能仔細觀察出這些恐龍的特徵，並 由各組學生發揮其想像力，說明這些特徵的功能或用途。 1.由教師準備模型一組一個(盡量各組型式不同)。 2.學生 3~4 人一組，仔細觀察所分配到的模型，找出特徵和記錄，並 推測出原物為何？各組再發表理由及該模型的製作過程。 1.化石的發現歷程 2.化石的形成。 3.化石的保存類型科學教育月刊 第 248 期 中華民國九十一年四月 3. 當 各 組 都 完 成 他 們 的 觀 察 、 討 論 和 推 論 後，選派一位代表說明他們那一組進行的 過程及結果。 二、活動紀錄單 特徵項目 說 明 1. 2. 3. 4. 5. 模型名稱：
閱讀資料 I
生命歷程的印記－化石
神話到科學真相 從歐洲的許多岩洞裡，我們尋獲到人類 早在洪荒時代，就有蒐集化石的線索。但是 當時的人多半是在偶然情形下發現化石的， 最多也只是把它們當成工具或裝飾品。到了 神 祗 宗 教 時 代 ， 大 部 分 的 人 將 化 石 視 為 神 怪、妖魔或巨人等遺留的傑作。西元前哲學 思辨時期，西臘哲學家亞里斯多德認為，化 石 就 像 水 晶 、 鐘 乳 石 一 樣 在 地 下 自 然 生 成 的。雖然前述是過去人類對化石的解釋，儘 管如此荒謬，卻也是代表人類，為闡明自然 現象所做的努力。 其實，西元前早有科學家解釋化石是生 物的遺骸，它們是生活在遠古時代，其生活 條件與目前迥然不同。可惜這樣正確的科學 觀念，卻無法傳遞出來。文藝復興後，印刷 術和紙張製作的發明，促進了自然科學的研 究 風 氣 ； 當 化 石 蒐 藏 的 目 錄 編 纂 愈 來 愈 多 時，知識份子紛紛開始探索化石的起源，提 出各類不同的解釋。 終於在十七世紀中葉後，化石的定義才 算是步入科學的正軌。首先，是丹麥解剖學 家史丹諾（Nicolas St ’enon ），確定一種狀 似舌形的化石為鯊魚牙齒，並且同時提出地 層學的基本觀念：上面的地層是比它下面的 地層要年輕。自此以後地質學和化石的兩者 關係，變得密不可分了。十八世紀法國博物 學 家 布 封 （ Georges-Louis Leclerc comtede Buffon ），更是推測地球已經歷漫長的時期， 滅絕的物種是最不能適應環境的物種。1796 年一月的一場劃時代演講，年輕的法國科學 家居維埃提出比較解剖學的兩大基本原則： 器官的從屬律（註解一）和相關律（註解二）， 使得化石的鑑定工作有進一步的發展，能將 原先挖掘出來，是一堆雜亂的化石或一個化 石標本，拼湊成已絕滅生物的全貌。 所以直到現在，被科學家所挖出來的化 石，不再是孤立孤獨的個體，科學家除了直 接觀察了解化石本身的特質、保存狀況、大 小顏色等，還可以藉助精密儀器解析它們的 組織和構造，建立這些化石存活時期與環境 之間的關聯性和演進。 （註解一）從屬律：生物體的重要器官彼此 間互為影響的關係。 （註解二）相關律：生物體的重要器官彼此 間互為排斥的關係。化石的形成 所謂的「化石」，是指古代的生物（動、 植物）死亡後，被掩埋在地層中的殘骸或遺 跡。 但是並非所有的古生物死亡後，都可以 成為化石。因為死亡的生物遺骸，通常暴露 在空氣中，由於氧化與細菌的腐敗作用，使 得這些有機體不容易被完整的保存下來。也 就是說化石的形成，必須要有一些特殊的條 件配合才能達成。一般而言，主要的條件如 下： 一、 生物本身具有硬殼或硬體結構組織，才 有被保存為化石的可能性。 二、 生 物 死 亡 之 後 ， 能 迅 速 地 被 埋 藏 在 砂 土、淤泥中，或急速冷凍、或乾燥，以 避免被腐化，而後再被礦物滲入結晶、 置換或炭化等。 三、 若是生物的活動痕跡保存，則是需要有 柔軟的泥土地層，當生物活動過後分泌 之黏液滲入泥土中，帶有黏液的泥土又 被一層泥土覆蓋在上面，才能將生物遺 跡保留。 四、 化 石 要 能 長 長 久 久 被 保 留 幾 百 萬 年 或 幾億年而不被破壞的話，那麼必須在生 物成為石化後，這個地層不再經歷任何 影響地層的地質作用（風化、侵蝕、變 質等）或地殼變動，以免化石因溶解、 換質、變 質或擠壓而消失。所以地質變 動頻繁的地區，是不易形成化石的。 化石的保存類型 從洪荒時代到現在，人類挖掘發現的化 石數量與種類，真是包羅萬象。不過依據形 成與保存過程的不同特點，大致可以將它們 分為實體化石、模鑄化石和遺跡化石等三大 類。 一、實體化石 在特別適宜的情況下，避開了氧化和細 菌的腐敗作用，古代的生物遺體本身幾乎完 整地或部分（硬體）保存而無顯著的變化或 缺失，即是實體化石。例如，1901 年在西伯 利亞的凍土層裡，發現了 2500 年前生存過的 猛瑪象（又稱長毛象），或在波蘭的古代瀝青 湖的披毛犀化石，以及大量琥珀中的昆蟲化 石（蚊、蜂、蜘蛛等）（圖二）。 圖二 在天然琥珀中的昆蟲。 包含生物軟體部分的化石為數並不多， 絕大部分是保存硬體部分，且都有不同程度 的化石化作用（ fossilzation ），例如生物體中 的空隙被礦物填充，或經過溶解交換取代， 其中常見到的就是矽化木 ，雖然生物的微細 構造被破壞，但仍保留原物的外型。另一類 實體化石是由於生物體中易分解、揮發的物 質先消失，留下碳質薄膜再經由其他物質充 填而保存生物體的外觀。
科學教育月刊 第 248 期 中華民國九十一年四月 二、模鑄化石 模鑄化石指的是生物遺體在掩埋的岩層 中留下印模或再複製的鑄形物（圖三），依據 化石與地 層的關係又可分為五種類型： 1.印痕化石 ：生物遺體（主要是軟體動物或 植物）陷落在碎屑沉積物或沉澱性沉積物 中，留下生物體的印痕後，印痕迅速被保 存起來，這類化石可反應生物的主要外觀 特徵。 2.印模化石 ：原生物的硬體遺骸可能已被溶 解消失，留下模印，包括有外模與內模。 前者是遺骸堅硬部分（如貝殼）的外表， 印在岩層中的痕跡，可告訴人家原生物的 外型及構造；後者則是內部的輪廓構造， 被留下的印痕，能反映生物的硬體內部型 態及構造特徵。 圖三 模鑄化石的形成過程。 3.模核化石 ：是一種生物體死亡後，其體內 被沉積物瞬間充填、固結，而後生物體被 溶解，留下內部構造實體，稱為內核，它 的表面就是內模，它的大小形狀與原生物 體內大小形狀一，能反映生物體的內部構 造。另一種，則是被掩埋的生物體內，沒 有沉積物充填，留下所謂的外模，等生物 被溶解後，再有沉積物填充，就形成與原 生物外型大小一模一樣的實體，就稱為外 核。 你知道模鑄化石如何形成嗎？配合上下文 字說明就可以解讀出英文字母的意思了！
4.鑄型化石 ：當生物遺體埋在地層中，已經 形 成 外 模 或 內 核 後 ， 生 物 體 再 全 部 被 溶 解，留下的空間由另一種礦物填入，像工 藝的鑄型品一樣，使充填物保存生物體的 原形及大小，這就是鑄型化石，能夠表現 原生物的內外特徵。 5.複合模：生物體埋 藏在沉積物中，形成內、 外模，隨後被溶解留下空隙，再經壓密使 內外模重疊在一起的化石。 三、遺跡化石 生物的活動痕跡和遺物，被保留在岩層 中形成化石稱為遺跡化石。通常此類化石和 其實體化石很少同時存在，所以在鑑定兩者 關係有其困難度。這類化石可以讓我們了解 某些生物的存在及活動方式，豐富了古生物 的記錄內容。例如引人注目的脊椎動物的足 跡化石，從足跡的大小、深淺和排列情況等， 可以推測該生物的身體輕重、行走狀態與速 度；而從足跡是爪印或蹄印，也可推知是草 食性或肉食性的動物。另外遺跡化石還包括 生物的爬痕或潛移的穴道等。 遺物化石往往指的是動物的排泄物（圖 四）或卵，例如舉世聞名的恐龍蛋化石（圖 五）便是一種遺物化石。至於人類出現以後， 只 有 舊 石 器 時 代 的 勞 動 工 具 、 或 文 化 遺 跡 等，才能納入化石的行列中。
分組研討活動 II
組裝恐龍模型
一、活動說明 購置如附圖一和附圖二的相關恐龍骨骼 化石模型材料數套，讓各組學生在課堂上組 裝 出 完 整 的 恐 龍 骨 架 模 型 ， 並 替 他 們 取 名 字。若時間不足的話，教師也可以請學生利 用課餘時間自行製作組裝，然後在上課時將 組裝完整的恐龍模型帶來展示，並作進一步 的討論說明。學生活動部分結束後，教師再 拿出正確的組裝模型，與學生對照。 二、活動紀錄單 編號與名稱 特徵說明 特徵之功能或用途說明 1. 2. 模型編號 1 3. 1. 2. 模型編號 2 3. 綜合說明： 圖四 恐龍糞化石。 圖五 法國出土的恐龍蛋化石（雷龍）。科學教育月刊 第 248 期 中華民國九十一年四月 附圖二之二
三、問題討論 1. 你們如何判斷組裝出來的恐龍是肉食性還 是草食性？ 2. 你們組裝的恐龍模型中，在脊背上有出現 骨板的結構嗎？如果有的話，你們認為它 有何用途呢？
閱讀資料 II
恐龍之謎
在許多早已滅絕的史前動物中，「中生代 之王」恐龍是最得大人小孩恩寵與喜愛的動 物。恐龍王朝曾經在地史上笑傲江湖一億六 千萬年之久，足跡遍布全球五大洲。科學家 從挖掘出的恐龍化石殘骸破片中，重組了一 個實存後又消逝的迷離世界。在脊椎動物的 演化歷程裡，他們自成一格，沒有任何的動 物像他們那麼成功，就算是自稱為萬物之靈 的人類，在地球上出現迄今也不過短短的五 百萬年而已！ “恐龍－ Dinosaur”這 個 名 詞 的 出 現 ， 是 在 1842 年時，由英國著名的古生物與解剖學 專家理查 ˙歐 文 （Richard Owen）提出， 英文部分是源自希臘字頭“Deinos”－恐怖， 和字根“sauros”－蜥蜴；中國所稱的恐龍一詞 就明顯的表示可怕的龍。他們當中有身體龐 大無比、行動緩慢的如大椎龍等（圖六），也 有頭腦高度發達、動作快捷靈敏的似鳥龍等 （圖七）。但是這一群已經絕滅的恐龍，仍是 有一些令人不解的地方。 恐龍是卵生？還是胎生？ 在恐龍的生存故事中，不管是兒童或成 人大家都曾想過恐龍的後代到底如何出生？ 就現在的兩棲類和爬蟲類來說，除了少數的 爬行動物是卵胎生之外，大多數的爬行動物 都是卵生的。由於部分恐龍有巨大身軀，很 難讓人聯想牠是由一顆蛋孵化長大的。 不過，就在 1922 年美國自然史博館的探 險隊，在蒙古戈壁沙漠中，掘到了第一枚的 小型有角類原角龍的恐龍蛋，恐龍傳宗接代 的型式終於有了雛形。之後，也陸續挖到代 表其他不同成長階段的珍貴化石，包括未孵 化也未完全發育的胚胎幼體，以及恐龍蛋的 巢穴。其中巢穴裡的蛋之擺放，以同心圓或 二行成列的模式排列，使我們更能進一步了 解恐龍的孵育行為。 圖七 似鳥龍。 圖六 大椎龍科學教育月刊 第 248 期 中華民國九十一年四月 還 有 一 派 科 學 家 認 為 恐 龍 也 許 是 卵 胎 生，只是目前尚未發現這個化石而已！不過 科學好玩與令人著迷的地方就是如此，還有 許多未發現與發明的現象物質，就等待有心 人來探取。 恐龍是恆溫動物？還是變溫動物？ 這是一個令古生物學家傷腦筋的問題。 一 般 人 都 知 道 ， 現 在 的 爬 蟲 類 動 物 是 冷 血 型，體溫會因環境的溫度而改變。而恐龍也 是爬蟲類，是否意味著他們也是冷血型動物 呢？為了要證明恐龍是溫血動物，美國古生 物學家巴克（ Roter Bakker）努力思考一些相 關的事情，例如恐龍的站姿、活動能力、以 及掠食者和被掠食者之間的比例等，再來找 尋線索。 首先就站姿部分，恐龍屬於直立型並非 匍匐前進的姿態，因此他們的腦袋就會高過 其心臟位置，且心臟中的心室是完全分離， 尤其對碩大型的恐龍而言這樣才能夠壓縮血 液到頭頂上。另外，恐龍若要持續維持高活 動力，以強壯後肢追跑獵物，或被追捕而逃 跑者，就必須是溫血型才足以應付消耗的體 力。古生物學家巴克同時也考慮到掠食者和 被掠食者的比例，對同體型的溫血型與冷血 型的動物來說，前者的食量是後者的十倍， 因為溫血型動物的熱量是由食物來補充產生 體溫。所以他估算中生代兩者的比例來支持 他的論點。 再者，另一項支持恐龍為溫血型動物的 論點，是由恐龍與哺乳類動物間的骨骼比較 所發現，恐龍骨骼中有較多的通管可攜帶血 管之用，與哺乳類十分相似，卻不同於其他 爬蟲類。但是有一派科學家認為，骨骼中血 管分布密集，也可能是為了使恐龍擁有快速 成長的能力，並支撐身體的重量。況且龐大 的身軀也可以在太陽光下照射幾小時後儲存 較多的熱能，夜晚再緩慢的散熱，到清晨醒 來時暨不會冰冷也不會懶洋洋。 到底恐龍是溫血型還是冷血型？目前， 唯一可以被大家接受為恆溫型的是小型的肉 食性恐龍，其他的恐龍由於部分化石保留不 易及不充分下，至今爭辯仍持續不止。不過 無論如何，科學家已然攪動一個充滿趣味漣 漪的困惑水，讓我們再度對恐龍產生深刻的 迷戀與想要在發覺的動機。
