哺乳动物具有很多特点，比如它们具有很高的代谢率；体温保持恒定；四肢是向下方伸出，而不是像爬行动物或两栖动物那样向两侧伸出；有皮毛可以保持身体的温暖；胚胎在母体内发育，一直发育到相当程度时才出生；母亲用乳汁来喂养幼仔……不过，哺乳动物的上述特点大多都难以在化石中表现出来。所以，对于古生物学家来说，要判断一件化石是哺乳动物的还是爬行动物的，多数还是要靠牙齿和骨骼这些容易保存为化石的部分，比如可以通过动物头骨化石的耳区结构来区分。
头骨的耳区结构比较
哺乳动物头骨比爬行动物头骨的骨块更少，愈合得更好，这使得哺乳动物的头骨更加坚固。爬行动物的下颌由多块小骨头组成，而哺乳动物的下颌骨只由一块叫齿骨的骨头构成。爬行动物的头骨和下颌骨之间利用方骨和关节骨相互连接，听小骨只包括一块镫骨（也称耳柱骨）。而哺乳动物的头骨和下颌骨利用鳞骨和齿骨相互连接，听小骨从外向内依次有锤骨、砧骨和镫骨三块，其中锤骨和砧骨分别由关节骨和方骨演化而来。听小骨能在耳膜与充满液体的内耳间传递声音到耳蜗，产生听觉的感知。如果一个古动物的耳区构造能够保留下来并形成化石，那么只要根据是存在一块还是三块听小骨，就可以判断它是否属于哺乳动物。
除了下颌骨和听小骨的不同，哺乳动物的牙齿形态也与爬行动物的有较大差别。多数爬行动物嘴中的牙齿是同一种形态，或者全是锥形，或者全是叶形，但哺乳动物的牙齿出现了门齿、犬齿、前臼齿和臼齿的分化，适用于不同的功能，如抓取、穿刺、切割、研磨等。由于食性和行为的差异，不同类群的哺乳动物的牙齿形态也千差万别，于是科学家仅仅通过观察研究牙齿化石，就可以推断出哺乳动物的类别甚至具体到属种的分类。（邓涛）
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