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Généralités
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Les fossiles:

L'histoire des fossiles commence au début de l'ère primaire (Cambrien), ou tout juste avant (580 ma), à la fin du Précambrien. Les premiers animaux possédant des structures rigides sont des Arthropodes (Trilobites), et des Oursins primitifs qui ne présentent pas encore de symétrie pentaradiée. Les autres espèces du Précambrien étaient des animaux à corps mou.
Les structures rigides, ou squelettes, peuvent être internes ou externes. La structure organique d'un animal disparaît après sa mort, alors que les parties osseuses (phosphate de calcium) sont fossilisées. L'étude des fossiles consiste donc à identifier genres et espèces suivant la forme des structures osseuses minéralisées. Le second facteur qui peut permettre de classer un fossile, est la datation de la strate où il a été prélevé. Inversement, certains fossiles "marqueurs" permettent de dater les strates qui contiennent leurs gisements. Ce sont des fossiles d'animaux qui ont vécu ou dominé à une époque définie, et/ou en des lieux précis.
Les traces d'animaux à corps mous (Cnidaires, Annélides ...) ou de parties molles d'animaux osseux sont rares et seulement conservées par moulage dans des structures résineuses ou des sédiments particuliers.

L'ère primaire: 

La première moitié du primaire est marquée par la conquête du milieu marin. De nouvelles formes d'animaux apparaissent avec des coquilles ou des carapaces. Après les Trilobites, les Nautiles, les Echinodermes, surviennent les Ostracodermes et les Placodermes, poissons prédateurs cuirassés. Ces nouveaux éléments (carapaces: 360-400 ma), sont liés au caractère prédateur qui n'existait pas encore (Trilobites et Echinodermes sont des espèces détritivores). D'autre part, Madréporaires et Coelentérés commencent à élaborer des récifs naturels.

La deuxième moitié du primaire est marquée par la conquête du milieu terrestre, grâce à la concentration d'oxygène (dioxygène) qui est déjà proche de celle qu'on connaît aujourd'hui.
La Terre est d'abord peuplée par les végétaux: Lichens, Fougères, Arbres... qui, par leurs dépôts de matière organique sur le sol, apportent le carbone (Carbonifère). Les animaux (premiers Tétrapodes) passent ensuite du milieu marin au milieu terrestre. Apparaît alors la respiration pulmonée et de nombreux animaux comme les Amphibiens sont encore liés à la vie aquatique.

La fin du primaire est bouleversée par une forte instabilité climatique. L'alternance de grandes glaciations avec des périodes chaudes rendent les conditions de vie difficiles. Certaines espèces s'adaptent et prolifèrent, alors que d'autres régressent et s'éteignent. C'est la Crise Permo-Trias, au cours de laquelle plus de 50% des vertébrés marins ont disparu

L'ère secondaire: 

Les sédiments du secondaire sont riches en calcaire: (Crétacé = craie), dépôts de coquilles calcaires d'animaux planctoniques (Coccolithophores) qui ont presque disparu lors de la Crise Crétacé-Tertiaire.

La fin du secondaire est marquée par la diversification des Echinodermes (Oursins irréguliers), la régression des Ammonites, l'extinction des Belemnites (marqueurs du secondaire), suivie de celle des Ichtyosaures (leurs prédateurs). Les Reptiles colonisent tous les milieux: air, terre, mer, et les plus grands disparaissent (Dinosaures), ce qui va ensuite permettre l'expansion du caractère mammalien (Mammifères).

L'ère tertiaire: 

Perturbée par des glaciations de plus en plus nombreuses: descentes et remontées successives des glaces, l'ère tertiaire a été plus favorable aux espèces à sang chaud. Chez les Mammifères, de profondes évolutions se produisent, dont la différentiation des dents (hétérodontie), qui est un des principaux caractères d'identification. Les os de la mâchoire subissent également une transformation chez les Amniotes: le hyomandibulaire, le cartilage de Meckel et l'os carré vont former respectivement l'étrier, le marteau et l'enclume de l'oreille interne..