科学家通过对化石的研究使得我们对古生物的生活环境、生活方式、进化的规律和机制等有了更深入的了解。生物地层学、分子古生物学、古生物化学以及古仿生学等边缘学科的研究也都离不开古生物化石。由此可见,古生物学的方方面面以及相关的一些学科领域的科学研究都离不开古生物化石！
化石一词源自拉丁文fossillis，意为挖掘。化石是古生物学的主要研究对象，它为研究地质时期的动、植物生命史提供了证据。中国古籍中早已有关于化石的记载，如春秋时代的计然和三国时代的吴晋，都曾提到山西省产“龙骨”，“龙骨”即古代脊椎动物的骨骼和牙齿的化石；
《山海经》也有“石鱼”（即鱼化石）的记述；南朝齐梁时期陶弘景有对琥珀中古昆虫的记述；宋朝沈括对螺蚌化石和杜绾对鱼化石的起源，已有了正确认识。迄今，发现早的细菌化石为距今35亿年前的澳大利亚瓦拉翁纳群中的丝状细菌化石。
所谓化石是指保存在岩层中地质历史时期的古生物遗物和生活遗迹以及生物成因的残留有机分子。
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虽然生物体的软组织的保存形成了一些有趣的和令人叹为观止的化石，但这种方式形成的化石是相对罕见的。古生物学家更经常地是研究保存在岩石中的化石。
生物体上的硬组织也能被保存下来。差不多所有的植物和动物都拥有一些硬部分，例如蛤、蚝或蜗牛；脊椎动物的牙和骨头；蟹的外壳和能够变成化石的植物的木质组织。生物体的坚硬部分由于是以能抵抗风化作用和化学作用的物质构成的，所以这类化石分布的较普遍。无脊椎动物例如蛤、蜗牛和珊瑚等的壳是由方解石（）组成的，其中很多没有或几乎没有发生物理变化而被保存下来。
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脊椎动物的骨头和牙以及许多无脊椎动物的外甲含有磷酸钙，因为这种化合物抵抗风化作用的能力非常强，所以许多由磷酸盐组成的物质也能保存下来，如曾发现一枚保存极好的鱼牙。由硅质（二氧化硅）组成的骨骼也具有这种性质。微体古生物化石的硅质部分和某些海绵通过硅化而变成化石。
另一些有机物具有几丁质（一种类似于指甲的物质）的外甲，节足动物和其它有机物的几丁质外甲可以成为化石，由于它的化学成分和埋葬的方式，使这种物质以碳的薄膜的形式而保存下来。碳化作用（或蒸馏作用）是生物埋葬之后在缓慢腐烂的过程中发生的，在分解过程中，有机物逐渐失去所含有的气体和液体成分，仅留下碳质薄膜。这种碳化作用和煤的形成过程相同。在许多煤层中可以看到大量的碳化植物化石。在许多地方，植物、鱼和无脊椎动物就是以这种方式保存下它们的化石。有些碳的薄膜地记录了这些生物的精细的结构。
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