Định nghĩa đơn giản nhất về cổ sinh vật học là "nghiên cứu về sự sống cổ đại".[2] Lĩnh vực này tìm kiếm thông tin về một số khía cạnh của sinh vật trong quá khứ: “nguồn gốc và danh tính của chúng, môi trường và sự tiến hóa, và những gì chúng có thể cho ta biết thêm về các thành phần hữu cơ và vô cơ của Trái Đất lúc bấy giờ”.[3]

Ngành khoa học lịch sử

Cổ sinh học là một ngành khoa học lịch sử, cùng với khảo cổ học, địa chất học, thiên văn học, vũ trụ học, bác ngữ học và bản thân lịch sử học :[4] nhằm mục đích mô tả các hiện tượng trong quá khứ và việc thiết lập lại mà chúng gây ra.[5] Vì thế nó bao gồm 3 yếu tố chính: mô tả các hiện tượng trong quá khứ, thiết lập các giả thuyết về lý do có nhiều sự thay đổi, và áp dụng giả thuyết đó vào các sự kiện cụ thể.[4]Khi tìm cách giải thích về quá khứ, các nhà cổ sinh vật học và các nahf nghiên cứu về lịch sử thường đưa ra một hệ thống các giả thuyết về nguyên nhân và sau đó tìm kiếm các smoking gun, một mẩu bằng chứng phù hợp mạnh mẽ với một giả thuyết hơn so với các giả thuyết khác. Đôi khi bằng chứng lại được khám phá nhờ may mắn từ tai nạn trong khi tiến hành nghiên cứu khoa học khác. Điển hình là sự khám phá của Luis và Walter Alvarez về iridium, một kim loại chủ yếu ngoài Trái Đất, trong lớp ranh giới của Kỷ Cretaceous–Tertiary khiến asteroid impact trở thành lời giải thích được ưa chuộng nhất về sự kiện tuyệt chủng kỷ Phấn trắng - Paleogen, mặc dù lý thuyết về sự đóng góp tác động cảu núi lửa cũng đang được trah cãi.[5]

Một nhánh chính khác của khoa học là nghiên cứu thực địa, thường được cho là nghiên cứu thông qua việc thực hiện các thí nghiệm để bác bỏ các giả thuyết về các hoạt động và ảnh hưởng của các hiện tượng tự nhiên. Cách tiếp cận này không thể chứng minh một giả thuyết, từ khi một số thí nghiệm khác sau này có thể bác bỏ nó, nhưng sự tích lũy các thất bại trong vệc bãi bỏ lại trở thành một bằng chứng thuyết phục. Dù vậy, khi phải đối mặt với những hiện tường hoàn toàn bất ngờ, chẳng hạn như bằng chứng đầu tiên về bức xạ vô hình, các nhà khoa học thực ngiệm thường áp dụng cách tiếp cận giống với các nhà nghiên cứu lịch sử: thành lập hệ thống các giả thuyết về nguyên nhân và sau đó tìm kiếm các “dấu vết”.[5]

Các ngành khoa học liên quan

Cổ sinh vật học nằm trên ranh giới giữa sinh học và địa chất học khi nó tập trung vào việc ghi chép về sự sống trong quá khứ, nhưng nguồn bằng chứng chủ yếu của chúng lại là các hóa thạch trong đá.[6][7] Vì lý do lịch sử, cổ sinh vật học trở thành một phần của ngành địa chất ở các trường đại học: vào thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, ngành địa chất học tìm thấy bằng chứng quan trongjcho việc đo đạc tuổi của đá, trong khi ngành sinh học lại không mấy quan tâm đến vấn đề này.[8]

Cổ sinh vật học có nhiều tương đồng với khảo cổ học, ngành ưu tiên nghiên cứu về con người và những gì con người để lại, trong khi các nhf khảo cổ học hứng thú với tính chất và sự tiến hóa của con người nhứ một giống loài. Khi xử lý các bằng chứng về loài người, các nhà khảo cổ học và cổ sinh vật học có thể làm việc cùng nhau – chẳng hạn như nhà khảo cổ học có thể nhận biết hóa thạch đó là của động vật hay thực vật qua di chỉ khảo cổ, để tìm hiểu về thức ăn của con người thời đại đó; hoặc họ có thế phân tích khí hậu của nơi cư trú lúc bấy giờ.[9]

Ngoài ra, cổ sinh vật học thường vay mượn các kỹ thuật của các ngành khoa học khác, bao gồm sinh học, osteology, sinh thái học, hóa học, vật lý và toán học.[2] Chẳng hạn, các dấu hiệu của địa hóa học từ đá có thể giúp ta khám phá ra sự sống đầu tiên nẩy sinh trên Trái Đất,[10] và nghiên cứu về phân tích tỷ lệ đồng vị cacbon có thể giúp ta nhận biết những sự thay đổi khí hậu và thậm chí còn giải thích các sự chuyển biến lớn như sự kiện tuyệt chủng kỷ Permi-kỷ Trias.[11] Với một qui luật tương đối gần đây, phát sinh chủng loại phân tử, so sánh giữa DNA và RNA của các tân sinh vật để tái thiết lập lại “cây gia phả” tiến hóa từ tổ tiên cảu chúng. Nó còn được sủ dụng để tính tuổi của những sự tiến triển tiến hóa, mặc dù cách tiếp cận này đang gây tranh cãi bởi các nghi ngờ về độ tin cậy của "đồng hồ phân tử".[12] Các thủ thuật từ kỹ thuật đã được sử dụng để phân tích về cách thức hoạt động của cơ thể của các sinh vật cổ đại, ví dụ như tốc độ chạy và lực cắn của khủng long bạo chúa,[13][14] hoặc cơ chế bay của Microraptor.[15] Nó tương đối phổ biến để nghiên cứu các chi tiết bên trong của hóa thạch bằng cách sử dụng X-ray microtomography.[16] Cổ sinh vật học, sinh học, khảo cổ học, và paleoneurobiology kết hợp để nghiên cứu phôi nội tiết (endocast) của các giống loài có liên quan với loài người để làm rõ sự tiến hóa của bộ não con người.[17]

Cổ sinh vật học thậm chí còn đóng góp cho sinh học vũ trụ, ngành nghiên cứu về sự sống có thể trên hành tinh khác, bằng cách phát triển các mô hình về cách cuộc sống có thể phát sinh và bằng cách cung cấp các kỹ thuật để phát hiện ra bằng chứng về sự sống.[18]

Các phân nhánh của ngành

Với sự phát triển của tri thức, cổ sinh vật đã khai triển các phân nhánh chuyên ngành.[19] Vertebrate paleontology tập trung vào hóa thạch từ loài cá sớm nhất đến tổ tiên trực tiếp của động vật lớp thú hiện đại. Invertebrate paleontology làm việc với các hóa thạch như động vật thân mềm, động vật chân khớp, ngành giun đốt và ngành da gai. Cổ thực vật học nghiên cứu hóa thạch thực vật có phôi, tảo, và nấm. Palynology, ngành nghiên cứu về phấn hoa và bào tử được tạo ra bởi thực vật đất liền và sinh vật nguyên sinh, liên quan giữa cổ sinh vật học và thực vật học, vì nó làm việc với cả sinh vật sống và hóa thạch của chúng. Micropaleontology alfm việc với hóa thạch sinh vật vi mô cảu mọi loài.[20]

Thay vì tập trung vào sinh vật riêng lẻ, cổ sinh vật học kiểm tra sự tương tác giữa các sinh vật cổ đại khác nhau, chẳng hạn như chuỗi thức ăn cảu chúng, và tác động hai chiều của chúng đến môi trường.[21] Ví dụ, sự phát triển của oxygenic photosynthesis bởi vi khuẩn gây ra quá trình oxygenation of the atmosphere và làm tăng mạnh năng suất và sự đa dạng cảu các hệ sinh thái.[22] Cùng với nhau, chúng dẫn tới sự tiến hóa phức tạp của tế bào sinh vật nhân thực, và các sinh vật đa bào phát triển từ đó.[23]

Cổ khí hậu học, mặc dù đôi khi được xem như một phần của cổ sinh vật học,[20] tập trung chủ yếu vào lịch sử khí hậu của Trái Đất và cơ chế thay đổi của nó[24] – đôi khi bao gồm các bước tiến hóa, chẳng hạn như sự phát triển nhanh chóng thực vật đất liền trong khoảng thời gian kỷ Devon đã loại bỏ nhiều cacbon điôxít trong khí quyển, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và do đó gây ra một kỷ Băng hà trong kỷ Than đá .[25]

Sinh địa tầng, việc sử dụng hóa thạch để sắp xếp thứ tự thời gian trong đó đá được hình thành, rất hữu ích cho cả nhà cổ sinh vật học và nhà địa chất học.[26] Sinh địa tầng nghiên cứu sự phân bố không gian của sinh vật, và cũng được liên kết với đại chất, điều này giải thích hoạt động đại chất của Trái Đất đã thay đổi như thế nào qua thời gian.[27]