Esta Sierra está formada por roca caliza, soluble al agua. El macizo calizo alberga agua subterránea hasta que el río Arlanzón labra su valle y el nivel del agua desciende. Al mismo tiempo, el agua se filtra por las grietas, disolviendo la caliza y generando grandes oquedades que en algún momento se abren al exterior, bien sea porque la grieta originada crea una entrada, o bien porque se producen derrumbamientos del techo. Una vez que estas cavidades quedan en contacto con el exterior comienzan a entrar las tierras más cercanas a la entrada y las arrastradas por el agua y el viento.
Los animales y los seres humanos entran y depositan allí restos de comida y herramientas, que serán cubiertas por más sedimentos. Así las cuevas se van rellenando, dejándonos entre capa y capa de sedimentos episodios de la vida de los grupos que las habitaron.
Hay dos tipos de yacimientos:
-En cueva: como a Sima del Elefante, La Galería, Gran Dolina, El Portalón, Galería del Sílex, Sima de los Huesos y la Cueva del Mirador.
-Al aire libre: como el Hotel de California, el Hundidero y el Valle de las Horquídeas.
Los principales descubrimientos son:
-Trampa natural: este yacimiento funciona como un centro de ocupación esporádico u ocasional, es decir que se utiliza en momentos concretos y cortos en el tiempo pero de forma reiterada.
-Canibalismo: existen varias decenas de fósiles humanos que nos muestran evidencias del canibalismo más antiguo documentado hasta el momento.
-Pinturas rupestres: En algunas paredes se observan pinturas que representan la cabeza de un caballo.
-Cerámicas y grabados: se han encontrado 400 motivos entre pinturas, negras y rojas, y grabados. Todo este corpus iconográfico se reparte en 53 paneles diferentes. Los motivos representados son formas lineales y geométricas junto con antropomorfos y representaciones humanas y animales.
-Excalibur: Existe una gran acumulación de cadáveres en la Sima de los Huesos.
-Enterramientos: se observó una fosa que contenía restos de al menos seis individuos. Lo interesante de este enterramiento es el tratamiento que presentan los cadáveres, por un lado y el uso como recinto sepulcral que tuvo esta cavidad entre momentos anteriores y posteriores. Se conocen diferentes clases de enterramientos como las cuevas, los dólmenes o las fosas individuales excavadas en el suelo.
-Simbolismo: El modo de producción y de vida determinan las actividades simbólicas de un grupo.
-El primer Europeo: La pasada campaña de excavaciones de 2007 el Equipo de Investigación de Atapuerca descubrió una mandíbula humana de más de 1.200.000 años de antigüedad. El hallazgo se produjo en la Cueva de la Sima del Elefante de la Sierra de Atapuerca (Burgos, España). Este yacimiento se encuentra muy cerca de Gran Dolina, yacimiento donde se encontraron los primeros fósiles humanos de la especie Homo antecessor.
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