En la segunda mitad del siglo XIX se realizaron algunos hallazgos que indicaban la riqueza arqueológica de la zona. No sería hasta el último cuarto del siglo XX cuando se realizaran estudios profundos y sistemáticos que determinaron a este conjunto de yacimientos prehistóricos como uno de los más importantes de Europa y de los más relevantes del mundo, donde se han hecho hallazgos que han cambiado la historia registrada de la humanidad. Se han encontrado restos desde una cronología perteneciente al Pleistoceno Inferior (con una antigüedad superior al millón de años) hasta el Holoceno (época actual), con datos sobre la fauna, flora y clima. Este complejo arqueológico está declarado Patrimonio de la Humanidad por la Unesco (2000) y ha recibido el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica (1997).
Los yacimientos son excepcionales por la abundancia de registro fósil, su buena conservación e importancia científica. Los útiles líticos que se han encontrado abarcan todas las etapas tecnológicas, desde las formas más primitivas del tallado de piedra hasta aquellas que pertenecen a la Edad del Bronce.
En cuanto a la fauna se ha hallado una nueva especie de oso de las cavernas, bautizado como Ursus dolinensis. El hallazgo más importante es el de los restos humanos. Los hay en varios yacimientos, algo que no suele ser habitual. Entre ellos se han encontrado los restos del antepasado más antiguo de Europa, el Homo antecessor, última especie común entre los neandertales, los Homo sapiens y los del preneandertal Homo heidelbergensis.
A continuación se comentan los yacimientos más relevantes y que más información nos han aportado para entender la prehistoria. Entre ellos destacan los que se ubican en la Trinchera del Ferrocarril (como la Sima del Elefante, Galería y Gran Dolina), y aquellos pertenecientes al sistema kárstico de Cueva Mayor/Cueva del Silo (como Portalón, Galería del Sílex y Sima de los Huesos). Aparte se encuentra la Cueva del Mirador, una cueva situada en el extremo sureste de la sierra, y sin relación aparente con el sistema kárstico mencionado. Hay localizados más de 50 yacimientos exteriores y un elevado número de monumentos megalíticos (dólmenes) por la zona, tanto en la sierra como en las cercanías, lo que atestigua que el complejo de Atapuerca es muy extenso, no limitándose únicamente a lo referente a la trinchera del ferrocarril y sus cercanías.
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