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L'histoire de la paléontologie est née de l'interrogation des hommes à trouver des animaux ou leurs os pétrifiés (fossiles). On pense que les premières explications de la découverte de ses fossiles sont à l'origine des légendes sur les dragons. De nombreux scientifiques comme le chinois Shen Kuo au XIe siècle ont tenté de donner une explication plus rationnelle. Cependant, il a fallu attendre le développement de la pensée scientifique et la désacralisation de la société au XVIIe siècle en Europe pour que naissent les théories qui allaient conduire les scientifiques du XVIIIe siècle vers la théorie de l'évolution.
Les antiques connaissait les fossiles, le mot fossile dérive d'ailleurs du latin classique fossilis. Pline l'Ancien imagina que les glossopètres tombent du ciel ou de la lune. Des auteurs comme Xénophane ou Thalès comprirent l'origine des fossiles par le lent déplacement des mers mais leurs écrits furent oubliés.
Théophraste, un disciple d’Aristote, interpréta la signification des fossiles de manière erronée (théorie de la "vis plastica", force plastique souterraine façonnant les fossiles), mais son interprétation ne fut pas contredite jusqu’à la révolution scientifique du XVIIe siècle. L'œuvre de ce savant grec ancien, traduite en latin et dans d'autres langues, servit de référence pendant près de deux mille ans.
Au Moyen Âge, plusieurs interprétations s'affrontent sur l'origine des fossiles. Girolamo Fracastoro, dans ses écrits sur les fossiles de Vérone en 1517, expose ces différentes thèses :
- thèse diluvienne : les fossiles sont des preuves du Déluge biblique et « témoignent de la destruction de certaines espèces par Dieu. ». Cette thèse aurait été introduite par Ristoro d'Arezzo(en) et défendue par Luther et Descartes.
- thèse de la génération spontanée qui s'applique aussi aux cristaux et aux êtres vivants. Cette interprétation est notamment défendue par Albert le Grand.
- thèse de l'ancien séjour en mer : Léonard de Vinci explique la présence de coquilles sur les continents par l'assèchement des mers mais il se heurte à une réfutation de taille : les fossiles en haut des montagnes.
Bernard Palissy est un des premiers européens à s'intéresser à la paléontologie. Naturaliste amateur, il collectionne les os pétrifiés et les artefacts archéologiques, confondus sous les noms de fossiles. Il donne des conférences sur le sujet en 1576 durant lesquels il expose diverses théories osées dont une théorie sur les fossiles (l'existence de coquilles sans homologues actuels viendrait du fait que « leur genre s’est perdu » en raison d'une surpêche) pour laquelle il fut jugé hérétique et condamné à être pendu et brûlé. Ces théories sont considérées aujourd'hui comme extravagantes. La paléontologie en tant que science, naît véritablement avec Georges Cuvier à la fin du XVIIIe siècle. Spécialiste de l'anatomie comparée, il est naturellement amené à se pencher sur les fossiles. Pour les expliquer, il produit la théorie du catastrophisme. La paléontologie s'inscrit au sein de la géologie, elle même naissante. En comparant les anatomies des espèces vivantes et des fossiles, Cuvier ouvre la voie à la théorie de l'évolution, bien malgré lui. Dès lors, l'origine de la vie devient une préoccupation sous-jacente de la paléontologie. Son opposant, Jean-Baptiste de Lamarck est lui fondateur de la paléontologie des Invertébrés et produit la théorie du transformisme. C'est Henri-Marie Ducrotay de Blainville qui en 1822 propose avec succès le terme de paléontologie après avoir échoué avec les termes palaeozoologie, puis palaeosomiologie.
La première chaire de Paléontologie a été créée au Muséum d'histoire naturelle de Paris en 1853 et occupée par Alcide d'Orbigny. Rapidement, les autres capitales européennes inaugureront ensuite leur propre institut.
Le suisse Louis Agassiz fait sa réputation en étudiant les poissons et organismes d'eau douce ; il est le pionnier de la paléoichtyologie. Agassiz émigra ensuite aux États-Unis et enseigna à Harvard à partir de 1846.