有时,古生物学家会挖掘出难以分类的化石。有些化石非常神秘,甚至不知道它们属于什么动物门。有些化石,比如文多佐,大约6亿至5.42亿年前埃迪卡拉纪时期神秘的绗缝"床垫"和袋子,已经被初步分配到了它们属于自己的门。其他的则没有被定位,对它们的亲和力有着相互矛盾的解释。一种分类未知的化石被称为"incertaesediis",拉丁语,意为"不确定的位置"。
将恐龙和鸟类联系在一起的过渡物种很难分类。从多细胞生命诞生之初起,在伊迪卡拉纪和寒武纪时期,难以分类的化石生物数量最多。多细胞生命出现在埃迪卡拉纪,大约6亿年前。这一时期的化石非常原始,很难分辨它们是什么。其中一种化石生物是第一批生物矿化的生物,其中只有一个钙质的管状体。化石生物方面的专家称之为原始海绵,一种类似珊瑚的蛇床子化石(与(水母),甚至是一种早期的蠕虫。
人类学家仍在争论尼安德特人在人类谱系树上的归属。埃迪卡拉纪生物群的化石生物是最神秘的,埃迪卡拉纪生物群是第一个已知的多细胞生态系统,如前所述,由各种充液袋、复叶和具有特征性绗缝图案的床垫组成伊迪卡伦生物群的一个标志性成员,夏尔尼亚,看起来有点像现代的刺胞动物,海盆,导致一些科学家将埃迪卡拉纪生物群归类为没有刺细胞的刺胞动物,但其他研究人员称它们为地衣、真菌、巨型原生生物、基底后生动物、细菌菌落,此外,这个问题仍然没有得到解决。其他化石生物的分类一直是一个挑战,来自寒武纪,这一时期发生在埃迪卡拉纪之后。其中最著名的是食肉类虾类生物,它的组成部分曾经被认为是三种不同的生物最初,它的一条分离的"手臂"被认为是甲壳类动物,它的嘴,形状像菠萝片,被误认为是水母,它的身体被归类为海绵。直到1985年,科学家才意识到这些是食肉性原始节肢动物的一部分,已知的最大的寒武纪食肉动物,长达一米。其他已被证明难以分类的化石生物包括寒武纪Wiwaxia、Opabina、Odontogriphus和许多其他生物。在寒武纪之后,许多生物定居到了成熟的门中,并变得更容易分类。


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