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Il termine fossile (dal latino fodere, "scavare") in paleontologia viene abitualmente usato per indicare resti integri o parziali di organismi un tempo viventi; più in generale, viene usato per una qualsiasi testimonianza di vita geologicamente passata (antecedente all'epoca attuale): resti animali, quali ossa, denti, uova, conchiglie; resti vegetali, quali foglie, tronchi, pollini; evidenze di attività vitale (strutture di bioturbazione come tane e orme); tracce legate all'alimentazione (coproliti). Questo termine venne introdotto da Gregorio Agricola per indicare tutto quanto fosse estratto dalla terra scavando, ed inizialmente era utilizzato anche per i minerali, oltre che per i resti di animali e vegetali, al cui riferimento in seguito venne limitato l'utilizzo.

La storia della paleontologia ripercorre la storia degli sforzi intrapresi per comprendere l'evoluzione della vita sulla Terra, studiando i reperti fossili lasciati dagli organismi viventi. Poiché si occupa della comprensione degli organismi viventi del passato, la paleontologia può essere considerata un campo della biologia, ma il suo sviluppo storico è stato strettamente legato alla geologia e allo sforzo di comprendere la storia della Terra stessa. Nei tempi antichi, Senofane, Erodoto, Eratostene e Strabone trattarono di fossili di organismi marini. Gli antichi cinesi li consideravano come ossa di drago e li documentavano come tali. Durante il Medioevo, i fossili furono discussi dal naturalista persiano Ibn Sina (noto come Avicenna in Europa) in The Book of Healing, proponendo una teoria dei fluidi pietrificanti che sarà elaborata da Alberto di Sassonia solo nel XIV secolo. Il naturalista cinese Shen Kuo propose una teoria sul cambiamento climatico con prove basate su bambù pietrificato. Tra il XV e il XVIII secolo, lo studio sistematico dei fossili è emerso come parte integrante dei cambiamenti nella filosofia naturale.La natura dei fossili e il loro rapporto con la vita sono stati meglio compresi nel corso dei secoli XVII e XVIII; alla fine del XVIII secolo, il lavoro di Georges Cuvier chiudeva un lungo dibattito sulla realtà dell'estinzione, portando all'emergere della paleontologia, in associazione con l'anatomia comparata, come disciplina scientifica. Anche la crescente conoscenza dei reperti fossili svolgeva un ruolo crescente nello sviluppo della geologia e in particolare nella stratigrafia. Nel 1822, la parola "paleontologia" fu usata dall'editore di una rivista scientifica francese per riferirsi allo studio degli antichi organismi viventi attraverso i fossili. Nella prima metà del XIX secolo l'attività geologica e paleontologica divenne sempre più ben organizzata, con la crescita di società e musei geologici e un numero crescente di geologi professionisti e specialisti di fossili. Ciò ha contribuito a un rapido aumento delle conoscenze sulla storia della vita sulla Terra e ai progressi verso la definizione della scala dei tempi geologici in gran parte basata su prove fossili. Man mano che la conoscenza della storia della vita continuava a migliorare, divenne sempre più evidente che c'era stato un qualche tipo di ordine successivo nello sviluppo della vita. Ciò avrebbe incoraggiato le prime teorie evolutive sulla trasmutazione delle specie. Dopo che Charles Darwin pubblicò Origin of Species nel 1859, gran parte dell'attenzione della paleontologia si spostò sulla comprensione dei percorsi evolutivi, compresa l'evoluzione umana e la teoria evolutiva.L'ultima metà del XIX secolo vide un'enorme espansione dell'attività paleontologica, specialmente in Nord America. La tendenza è continuata nel XX secolo con la raccolta sistematica di fossili in ulteriori regioni della Terra, come dimostrato da una serie di importanti scoperte in Cina verso la fine dello stesso secolo. Sono stati scoperti molti fossili di transizione e ora si ritiene che vi siano abbondanti prove di come tutte le classi di vertebrati siano collegate, in gran parte sotto forma di questi fossili. Gli ultimi decenni del XX secolo hanno visto un rinnovato interesse per le estinzioni di massa e il loro ruolo nell'evoluzione della vita sulla Terra. C'è stato anche un rinnovato interesse per l'esplosione cambriana, che ha visto lo sviluppo dei piani strutturali della maggior parte dei phyla animali. La scoperta di fossili del biota di Ediacara e gli sviluppi della paleobiologia hanno esteso la conoscenza della storia della vita a tempi più antichi del Cambriano.