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Eine der weltweit bedeutendsten paläontologische Sammlungen von Meeressauriern und -fischen aus der Mitteltrias, der Zeit vor etwa 230 bis 240 Millionen Jahren, befindet sich hier an der Universität Zürich.
Den Kern der Ausstellung bilden die ausgezeichnet erhaltenen und wissenschaftlich sehr wertvollen Fossilien vom Monte San Giorgio (Südtessin), einer einzigartigen Fundstelle, die seit Juli 2003 auf der UNESCO-Liste der Weltkulturerbe steht.
Fossilien aus der Umgebung von Zürich, aus den Alpen und aus Nordamerika geben zudem Einblick in die veränderte Tierwelt der jüngeren Erdgeschichte. Eine Vorstellung längst ausgestorbener Tiere vermitteln die farbigen Lebensbilder und Modelle.
Erläuterungen zu den wichtigsten Ausstellungsgruppen sind per Kopfhörer oder Lautsprecher an fest installierten Stationen abrufbar. Zudem kann ein Video zur Ausgrabung, Präparation und wissenschaftlichen Bearbeitung eines Tessiner Sauriers betrachtet werden.
Seit 1629 waren einzelne Fossilien oder Versteinerungen (Petrefakten) in der Zürcher Wasserkirche ausgestellt. Sie gehörten zur Bürgerbibliothek der Stadt Zürich, einem Naturalienkabinett, das 1783 zum grössten Teil der Naturforschenden Gesellschaft überlassen wurde. Diese verkaufte ihre Sammlung 1837 an den Kanton Zürich für dessen 1833 gegründete Universität.
Mit dem Umzug der Universität in das 1864 erbaute Hauptgebäude des Eidgenössischen Polytechnikums (spätere Eidgenössische Technische Hochschule, ETH) wurden auch alle Sammlungen dorthin verlegt und vereinigt. Mit dem Aussonderungsvertrag von 1908 zwischen Bund, Kanton Zürich und Stadt Zürich wurden die "Vereinigten Sammlungen" neu aufgeteilt. Mineralien, Gesteine und Fossilien von wirbellosen Tieren und Pflanzen übernahm die ETH. Sämtliche zoologischen Sammlungen, zu denen auch die Wirbeltierfossilien gehörten, gingen an die Universität.
Der Kanton hat seither die Verpflichtung, diese Sammlungen zweckmässig aufzustellen, zu unterhalten und zu vermehren. Dazu gehören auch wichtige Privatsammlungen, wie z.B. die wissenschaftshistorisch bedeutende Fossiliensammlung des Zürcher Naturgelehrten Johann Jakob Scheuchzer (1672-1733). 1914 wurde das Zoologische Museum am heutigen Standort im Hauptgebäude der Universität an der Karl Schmid-Strasse 4 eingeweiht. In der nach stammesgeschichtlichen Kriterien aufgebauten Ausstellung hatten die Wirbeltierfossilien einen wichtigen Platz.
1956 wurde das damalige "Zoologisch-vergleichend anatomische Institut" in drei selbständige Institute aufgeteilt, in das Zoologische Institut, das Zoologische Museum und das Paläontologische Institut und Museum. 1965 wurde eine öffentliche Paläontologische Schausammlung eröffnet, seit 1991 zeigt sich die paläontologische Ausstellung nach einem tiefgreifenden Umbau in ihrer heutigen Form.