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“甘肃古生物化石”展厅是以地球生命演化史为主线，陈列展出了大量甘肃境内发现的古生物化石标本，包括地球厅、海洋动物厅、恐龙厅，黄河古象厅四个分展厅。分别介绍了地球与生命进化和地质时期古生代、中生代、新生代发现的各类古生物化石，以及它们的生活环境和相关知识。 二楼一侧是甘肃古生物化石展览。“甘肃古生物化石”展厅是以地球生命演化史为主线，陈列展出了大量甘肃境内发现的古生物化石标本。包括地球厅和海洋动物厅。
宽敞的走廊。左边第一个门即为展室的入口。
一、序厅（地球厅） 
地球厅局部
序厅着重介绍了地球的演化史，由多个与地球有关的版面展示内容，如什么是宇宙、创世大爆炸、有趣的宇宙年历表、地球的形成、地质史书——地层、不断漂移的陆地、地球的分层（地壳、地幔和地核）等.
在序厅的全景画墙面上镶嵌的宇宙年历表。天文学家们根据宇宙大爆炸理论，将150亿年的宇宙大爆炸历程浓缩在一年里编成了一个宇宙年历表：1月10日，大爆炸，宇宙诞生；5月1日，银河系形成；9月9日，太阳系产生；9月14日，地球问世；………12月31日零时22分30秒，原始人类诞生；12月31日零时23分46秒，北京人开始用火。
序厅中还悬有一幅《甘肃主要古生物化石分布图》。在分布图的旁边立有一电脑触摸屏，只要将鼠标点在相关的时代上或需查看的化石名称上，就可以查到相关资料，继续点击会出现复原古动物化石的画面和它们当时的生活环境。
各地质年代生物的仿真图示。
太古宙的生物，太古宙是古老的地史时期。从生物界看，这是原始生命出现及生物演化的初级阶段，当时只有数量不多的原核生物，如细菌和低等蓝藻，他们只留下了极少的化石记录。
元古宙的生物，元古宙时藻类和细菌开始繁盛，是由原核生物向真核生物演化、从单细胞原生动物到多细胞后生动物演化的重要阶段。
古生代的生物，古生代开始于大约五亿年七千万年前的“生命大爆炸”，从此地球上的生物开始繁荣。古生代又可划分为早古生代和晚古生代。早古生代包括寒武纪，奥陶纪和志留纪，在早古生代海洋里生活着门类众多的生物。植物界以海藻为主。动物界出现了三叶虫和珊瑚、腕足类等。晚古生代包括泥盆纪，石炭纪和二叠纪。晚二叠纪时非常接近哺乳动物的兽孔类占领大地，其中的巨兽是古生代陆地上出现过的最大的动物。在大约两亿三千万年前的二叠纪末期，生物经历了一次巨大的集群灭绝，古生代从此结束。
中生代的生物，中生代被称为爬行动物的时代，中生代陆生生物大规模演化，裸子植物占优势，恐龙的称霸和灭绝，鸟类和哺乳类的出现，都是陆地上的生命一步步繁荣。
新生代的生物，新生代分为古近纪和新近纪两个纪，古近纪延续时间约为6320万年，新近纪延续时间约230万年。
新生代的生物界已与现代接近。植物界以被子植物为主，故新生代称为“被子植物时代”。脊椎动物中爬行动物如恐龙类已绝灭，鸟类繁多，但化石保存较少，而哺乳动物则极为繁盛，所以新生代也称为“哺乳动物时代”。人类的出现和发展是新近纪的最重要特征。
墙上是六幅巨大的喷绘照片，依次排布的是甘肃在全国占有重要地位的古动物化石的它们是：、黄河古象（甘肃合水板桥发掘的古象复原骨架）、巨鬣狗（甘肃和政出土的巨鬣狗头骨化
马门溪龙（兰州红古区海石湾发现的恐龙复原骨架）、禽龙（甘肃金塔县境内出土的禽龙骨架化石标本）
库班猪（甘肃和政出土的库班猪头骨化石）
和政羊（甘肃广河阿力麻土发现的和政羊头骨化石）。
甘肃的古生物化石，按照时代顺序可分为古生代、中生代、新生代。古生代时，产出的化石主要以无脊椎动物为主；中生代时以爬行动物为主，包括奇妙动物恐龙、龟等；新生代则以哺乳动物占绝对优势。
二、远古海洋动物厅
海洋厅局部
始于距今6亿多年前的甘肃古生代时期，无脊椎动物得到了空前的大发展，几乎全部为海生的动植物。它们包括节肢动物三叶虫、头足动物直角石、腕足动物、珊瑚、笔石、瓣鳃、牙形石等。到了古生代晚期，在局部地域海洋植物开始上陆，陆地植物渐趋繁荣，同时出现了最早的脊椎动物，如二叠纪的貘头兽、波罗蜥等。
海洋动物厅共分两个单元。第一单元甘肃早古生代发现的化石。甘肃早古生代包括寒武纪、奥陶纪、志留纪三个时期。当时甘肃古海中生活着笔石、头足、腹足、三叶虫、珊瑚、苔藓虫、瓣鳃、牙形石等9个门类的生物，以前6个门类的生物为主。 三叶虫是甘肃古生代无脊椎动物化石中发现最多的一个种类。它的身体扁平，椭圆形，有外壳。三叶虫的身体上下左右都可分成三个似叶状的部分——因此有三叶虫之名。三叶虫遇到侵袭时就把全身紧紧卷成一团，看来像块石头。
三叶虫为雌雄异体，卵生，个体发育过程中经过周期性蜕壳，在个体发育过程中，形态变化很大。三叶虫是一种已经绝灭了的节肢动物，中国早在300多年前，即明朝崇桢年间就在山东泰安发现了三叶虫化石。
王冠虫：古无脊椎动物。三叶虫纲的一属。头部边缘有一列突起的小瘤，状似王冠，故名。尾部中轴分节较两旁肋叶分节数目多。中国南部志留纪地层中最多，日本也有发现。
直角石标本是无脊椎动物中的头足类又称鹦鹉螺，因其身体呈直锥状，故名。奥陶纪时直角石达到发展的顶峰，身长一般在一米左右，大个的长可达3.5米，是当时海洋中的庞然大物，很可能是三叶虫的一个劲敌。它们在早古生代以后就逐渐衰退下去，但是并没有灭绝，直到现代的海洋中还有它们的代表。
海洋动物厅的第二个单元是晚古生代发现的化石。甘肃晚古生代包括泥盆纪、石炭纪、二叠纪三个时期。泥盆纪（距今4～3.5亿年）的特点是甘肃陆地面积进一步扩大。海洋环境中生存的生物有珊瑚、腕足、三叶虫、层孔虫等浅海动物。大陆环境则生存着大量的低等植物和新登上历史舞台的鱼类。
珊瑚是海生无脊椎动物，属刺胞动物门珊瑚虫纲。珊瑚虫的特点是具有石灰质、角质或革质的内骨骼或外骨骼。珊瑚这个词又指这些动物尤其是石珊瑚的骨骼，石珊瑚目的种类约1000种。角珊瑚目的种类约100种；柳珊瑚目的种类约1200种；而共鞘目（蓝珊瑚）的种类仅一种。
肥厚鸮头贝和蜂巢珊瑚。
石燕化石，它们实际上是生物学分类上的腕足动物。石燕引起人们广泛注意是在李时珍将其载入《本草纲目》之后，特别是许多地方志上都有记载。有的记载中甚至把石燕说成是会飞的，使石燕带上了一层神秘的色彩。后来古人经过考察认为，石燕是不会飞的，所谓石燕会飞的说法只是民间传说而已，没有什么证据。
大多数腕足动物是由壳的后端茎孔伸出肉茎固着在岩石上营底栖生活，少数可在泥沙中钻孔或躺在海底生活。腕足动物的软体被两片大小不等，两侧对称的外壳所包围，大者称腹壳，由于常具茎孔，故也称茎壳；小者称背壳，由于常具腕骨，也称腕壳。
圆盘螺和扬子贝。
海绵，海绵是最原始的多细胞动物，2亿年前就已经生活在海洋里，至今已发展到1万多种，占海洋动物种类的1/15，是一个庞大的“家族”。
叶菊石目；科：叶菊石科；俗名：叶菊石；时代：侏罗纪早-白垩纪晚期；分布：全世界。紧压内旋的壳结构和突出褶边的骨缝是不论大小的菊石的壳的一个特征。壳上要么仅装饰有简单的生长线；要么几乎为平滑的。孔眼微微有点弯曲，流线型的外型和圆腹使喷射水流以中等速度在水中流动。
2005年李膺副省长率卫生部和甘肃省政府代表团赴马达加斯加，出席中国医疗队赴马达加斯加30周年庆典活动时，马达加斯加总理西拉赠送给李膺的非常漂亮的侏罗纪叶菊石。
这也是菊石化石。
三、 中生代——恐龙厅
中生代是地质年代的第四个代。此时，脊椎动物大大发展，特别是爬行动物，不仅占据了陆地，而且统治了天空和海洋，故中生代又被称为“爬行动物的时代”。而爬行动物进化的主流是形态各异、大小不同的恐龙，故也有人干脆把中生代叫做恐龙时代。 展室局部。
中国恐龙演化过程图谱。
这个展厅最壮观的要属一具禽龙化石骨架，它长近9米，高3米。这具骨架是甘肃省博物馆自然部2002年从从肃北境内挖掘采回的，发现的化石材料有禽龙的四肢骨、牙齿、肩胛骨、肋骨、爪子等，约占全部骨架的65%，属于基本完整的骨架个体，如此完整的骨架在国内并不多见，又由于过去甘肃境内至少发现过20多具恐龙化石骨架，但由于各种原因甘肃自己却没有留下一具。鉴于此甘肃把这具靠自己力量发掘、自己组装的甘肃禽龙化石称为“甘肃第一龙”。 值得一提的是“甘肃第一龙”骨架的装架姿态。过去国内外学者根据化石材料的发现认为禽龙是两足行走的食草类爬行动物，但近几年由于许多新材料的发现，尤其是亚洲地区主要是东亚的中国、蒙古国的发现，证实禽龙是一种四足行走的恐龙，只不过前肢已经相当进化，有五指，伸缩自如，但并没有脱离地面，主要功能还是用于走路。基于这一研究成果，我们在请专家制作装架时，参阅有关资料，把禽龙姿态设计为四足行走姿态，因此这一创举目前国内还没有第二家，故也可称其为“中国第一禽龙”。
在恐龙骨架旁陈列的是巨龙类化石标本，最引人注目的是一根巨大的大腿骨，长达1.47米，比马门溪龙的腿骨还要长，巨龙化石除了酒泉地区产外，在甘肃中部的通渭县境内也有零星骨骼化石发现，如腿骨、肢骨等。
海百合化石。海百合是地球上最古老的动物之一，已经生存了5亿年，在2亿3千万年前，海洋里到处都生长着海生棘皮动物海百合，由于海百合对环境要求非常苛刻，如今，人们只能在深海里见到它们美丽的身影。
展厅的一个独立壁柜中陈列着发现于甘肃靖远县的一段黑灰色的硅化木标本，亦称“木化石”。为常见植物化石之一。硅化木的形成是由于木头掩埋在地层内，木质部的有机成分被地下水中的二氧化硅所置换的结果，因此树木的形态轮廓，包括它的年轮花纹还栩栩如生呢！
展览大厅一角的硅化树，他的形成原理和硅化木相同。
剑龙是一类已灭绝的草食性四足动物，是装甲亚目、剑龙下目中的一个属。剑龙是最知名的恐龙之一，因其特殊的骨板与尾刺闻名，它们就像霸王龙、三角龙以及迷惑龙一样，经常出现在书籍、漫画或是电视、电影当中。
在剑龙上方悬空陈列的是翼龙标本骨架。为了让观众了解翼龙的习性翼龙骨架被吊在了空中。
早在1784年意大利的古生物学家科利尼在德国发现第一件翼龙化石时，甚至不能确定它属于哪一类动物，有人认为它生活在海洋中，也有人认为它是鸟和蝙蝠的过渡类型等等。直到1801年，法国著名的比较解剖学家居维叶才鉴定它为翼龙，归于爬行动物。事实上，翼龙化石的发现比恐龙早了半个多世纪，自从翼龙化石被发现，人们对这类非常奇特的最早飞向天空的动物就充满了好奇，一直在苦苦地探求。
翼龙的前肢高度特化，第4指加长变粗成为飞行翼指，它由四节翼指骨组成，前端没有爪，与前肢共同构成飞行翼的坚固前缘，支撑并连结着身体侧面和后肢的膜，形成能够飞行的具有类似鸟类翅膀的翼膜。翼龙的腕部发育一个特有的向肩部前伸的翅骨，对翼膜起支撑作用。第一至三指生长在翼膜外侧，变成钩状的小爪，第五指退化消失。
支撑翼龙飞行的翼膜结构，完全不同于其后能够飞行的脊椎动物———鸟类和蝙蝠类翅膀结构。
今天的人们已获得了强有力的证据，证明翼龙这类与恐龙同时出现又同时绝灭，比鸟类早约7000万年飞向蓝天的中生代空中霸主不是胎生，而是像其他爬行动物和鸟类一样卵生。
这个展厅摆放有电脑多媒体安装恐龙骨架互动节目。在屏幕的下方零散地堆放着许多大小不一形状各异的恐龙骨骼，屏幕中央是一条恐龙的虚影，观众可以利用鼠标将恐龙的骨骼按照自己认为的位置放好，完成后按“O K”，如果放对了电脑显示一些鼓励的话，并将骨架外面加上皮肉，使恐龙奔跑起来。如果位置放错了，电脑可指出错误的地方。观众可以在这个互动节目中选择自己喜爱的恐龙（霸王龙、梁龙、马门溪龙、鸭嘴龙等）进行组合装架。如果你有兴趣的话可以尝试一下，体验组装一亿年前恐龙的乐趣。 接下来观众可以参观一个多媒体，展示的是侏罗纪化石植物形成煤矿的全过程。展版上的文字说明告诉我们：煤的形成过程，概括地说，就是植物大量死亡后的遗体被堆积埋葬，再经 过高温、高压和石化作用等几个方面相互配合，才逐渐转化成煤，其全部过程，叫做成煤作用，既有连续性，又有阶段性。 参观至此二楼展厅就参观完毕，步入三楼展厅就进入到白垩纪时期。
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