達爾文進化論的批評家經常指出，進化論缺乏化石證據。儘管化石在達爾文進化論發展過程中起到了重要的作用，但關鍵環節化石證據的缺失也曾令達爾文倍感頭疼。在隨同「小獵犬」號環球航行過程中，達爾文也曾經在南美搜集了許多奇怪的哺乳動物化石，並思考物種在進化過程中的變化情況。

　　達爾文的同事和支持者們在紛紛尋找關於古代生命在進化過程中變化的證據，反對者們同時也在論證進化論的正確與否。以下就是能夠證明達爾文的由自然選擇產生的生命樹觀點的標準化石物種，這些奇怪的化石物種曾經讓科學家們迷惑不解，不過最終也讓他們對生命的進化歷史有了更清晰地瞭解。

　　1. 始祖鳥

始祖鳥

　　從表面上看，始祖鳥似乎剛好在恰當的時刻出現從而證實了物種逐步進化的觀點。這種遠古動物被一些人認為是可以用來證明進化是一個經歷了相當長時期的細微變化過程。很明顯，始祖鳥是一種半爬行半鳥類的動物，它似乎恰好是達爾文所期望的那種證據。然而，達爾文在評估這種動物時仍然顯得較為謹慎，他並沒有把始祖鳥作為自己理論的直接證據，而只是將這種動物作為一個實例。

　　英國著名生物學家托馬斯-赫胥黎是達爾文進化論的一位堅定追隨者。赫胥黎也對這一化石持謹慎態度，雖然赫胥黎也明顯贊成如下假設：這種鳥是由較小的、恐龍狀動物進化而來。儘管達爾文和赫胥黎心存疑慮，但始祖鳥仍然被廣泛承認為最早的鳥類，並在關於鳥類起源的猜想中發揮了重要作用。

　　2. 二齒獸

二齒獸

　　19世紀30年代，一位名叫安德魯-吉德斯-拜恩的蘇格蘭年輕人開始在非洲的岩石中尋找化石證據。他最初發現了一些動物的頭骨，這些動物似乎並不符合分類學的一些標準，尤其是一種「兩齒」動物在兩條巨大的尖牙之間還長有一個與海龜類似的那種喙。1844年，拜恩將這種動物的頭骨帶到了英格蘭。著名的解剖學家理查德-歐文將這種動物定性為類似哺乳動物的異常爬行動物，並將其命名為「二齒獸」。隨後，又有許多人將發現的怪異化石送到了歐文那裡，歐文因此收集了大量的爬行動物的化石，這些動物似乎打破了向哺乳動物進化過程中的種類界線。

　　隨著越來越古老的類似哺乳類動物的發現，如在美國西南部發現的有帆狀背的異齒龍和基龍，它們最終被認為是哺乳動物與爬行類祖先之間的過度類型。然而，這些動物並不是真正意義上的「類哺乳動物的爬行動物」。如異齒龍肯定像爬行動物，但它們已經從所有爬行類動物的最後共同祖先那裡分離出來，而且比任何爬行動物更接近早期的哺乳動物。

　　3. 龍王鯨

龍王鯨

　　龍王鯨化石的發現比達爾文的《物種起源》一書發表時間還要早25年。關於鯨類的起源，科學家們一直爭論不休，龍王鯨已經成為了鯨類起源爭論的焦點。最初，科學家們把它看作是一種真正的鯨。1834年，美國博物學家理查德-哈爾蘭對出土於阿拉巴馬州種植園中的一組骨骼化石碎片進行了定性。它們很像是蛇頸龍和魚龍的骨骼，因此哈爾蘭將它看作是最大型的海洋爬行動物。

　　幾年後，理查德-歐文對哈爾蘭的化石和新標本進行了全面的檢測，最終證實這種動物確實是一種鯨。它與此前已知的任何鯨類都不相同，尤其是它還長有一組可怕的尖利牙齒。根據這一事實，赫胥黎認為，鯨類是由陸生食肉類動物進化而來。不過，龍王鯨已經是完全水生，很難提供這一演化過程的任何線索。直到20世紀80年代，古生物學家在印度和巴基斯坦境內4000萬年前的岩石中發現最古老鯨類骨骼後，鯨類起源之謎才得以揭曉。這些鯨類並不是海洋哺乳動物，而是行走於陸地上的兩棲動物。隨著越來越多化石的發現，鯨類起源已由最大的進化謎團變成大規模進化過程的最佳例證。龍王鯨就是其中最早期的完全水生形態之一，大約生活於4000萬年到3400萬年前之間，其生活的遠古海洋大約位於如今的埃及、巴基斯坦和美國南部的山區。

4. 三趾馬

三趾馬

　　在《物種起源》發表之後不久，法國古生物學家阿爾伯特-高德裡開始在希臘皮克米地區尋找500萬到2300萬年前的動物化石。在那裡，高德裡發現了靈長類動物、古代長頸鹿、劍齒貓和其他一些怪異動物的化石，其中最重要的化石當屬三趾馬的化石。然而，高德裡自己並不贊同自然選擇理論。他利用這些化石繪製了一棵馬類進化樹，其中三趾馬代表了古代祖先與現代一趾馬的中間階段。其他一些科學家在高德裡的帶領下建立起歐洲馬類進化的順序，從古代的貘樣祖先到三趾馬，再到現代的馬類。這種順序後來被更完善的化石證據所取代。但問題是，古生物學家不斷發現越來越多的馬類。從小型的始祖馬到現代馬類的一條進化直線圖譜被廣泛接受。這種「缺失的一環」不得不忽略許多間接的近親。然而，近期的研究工作打亂了這種直線式的圖譜。正如現在人們所理解的，三趾馬並不是馬類進化到現代馬的中間階段。

　　5. 猛犸

猛犸

　　猛犸已成為了進化理論的標誌性動物。猛犸在西伯利亞當地語言中原意是指一種地下怪物。1796年，法國博物學家喬治-古維爾將猛犸的骨骼與現代生活的大象骨骼以及出土於美國的一塊怪異化石進行了對比。古維爾發現，猛犸的骨骼完全不同，它們進化自一種獨特的、已滅絕的大象。隨著後來大地懶屬動物和滄龍的發現，猛犸被證實為一種完全不同的史前世界動物。直到最近古生物學家才能夠搞清楚它們進化的圖譜。

　　2005年的一項研究認為，猛犸應該位於進化分支的一個間歇性圖譜中。故事應該是這樣的：大約在250萬年，一種最早期的猛犸歐洲猛犸開始向亞洲分散。但100萬年後，這些猛犸的一個群體開始分離出去，形成了一個新的物種，即通常所說的草原猛犸。這兩個物種一直並存生活，直到大約60萬年前草原猛犸才開始大規模地取代它們的祖先。與祖先一樣，草原猛犸也到處分散，又形成了兩個新物種，即真猛犸和哥倫比亞猛犸。這些物種分化事件發生非常突然，新物種迅速出現並與祖先物種並存直到最終取代祖先物種。　

　　6. 爪哇人

爪哇人

　　雖然達爾文在《物種起源》一書中盡量避免直接討論人類的進化，但所有人都知道他的思想適用於人類。然而在他完成這本著作時，還沒有人類化石記錄。直到19世紀60年代，穴居人骨骼才被發現並被科學界所認知，它們與人類的骨骼非常相似。發現於19世紀90年代初的化石也成就了一個新的名詞「缺失的一環」，它們是由荷蘭博物學家尤金-都波士在爪哇島發現的。這些骨骼包括一個頭蓋骨、一根大腿骨和一顆牙齒，一些細節表明它們似乎介於猿類和人類之間的形態。

　　都波士將這種形態稱為爪哇直立猿人。這些骨骼化石引起了一場巨大的爭論。一些科學家認為頭蓋骨應該屬於一隻長臂猿的，而腿骨則屬於人類的腿骨。都波士則認為，所有這些骨骼都是屬於一起的。後來因為某種只有他自己知道的原因，他於1900年拒絕公開這些化石。直到20世紀20年代，都波士才再次開放這些化石。此後不久，中國也發現了「北京人」骨骼化石。儘管叫法不同，但這些骨骼應該都歸屬於直立人。