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Frontières en sciences de la Terre

Depuis la reconnaissance des fossiles comme restes d’organismes autrefois vivants par les premiers polymathes tels que Léonard de Vinci et Nicholas Steno, la paléontologie est devenue la fenêtre la plus claire sur la longue histoire de la vie sur Terre. Pendant une grande partie des XIXe et XXe siècles, la paléontologie était principalement une science d’observation, axée sur la découverte, la dénomination et la description des plantes et des animaux fossiles. Il convient de noter que les premières découvertes de dinosaures et d’autres grands animaux éteints tels que les proboscidéens ont attiré l’attention du grand public sur le domaine de la paléontologie, et la fascination pour ces étranges créatures du passé n’a cessé de croître depuis cette époque. Une ligne de recherche parallèle s’est développée grâce à l’utilisation de fossiles pour déterminer la succession et les âges relatifs des roches sédimentaires dans le monde entier, établissant un lien critique avec les autres sciences de la terre et l’utilité pratique de la recherche paléontologique. Cependant, surtout après la publication du magnum opus de Darwin, les paléontologues se sont de plus en plus intéressés à comprendre l’importance des fossiles pour reconstruire l’histoire de la Vie à travers le temps. À partir du début du XXe siècle, de nombreux chercheurs se sont concentrés sur l’interprétation des organismes éteints comme des êtres autrefois vivants et de leurs relations écologiques avec leur environnement et les uns avec les autres. C’est donc avec l’acceptation de processus tels que l’origine, l’évolution et l’extinction dans des cadres locaux, régionaux et mondiaux, que la paléontologie est réellement entrée dans l’ère moderne, avec des chercheurs étudiant l’évolution de groupes particuliers d’organismes et de communautés à travers le temps, et leurs interactions au sein et avec la biosphère. Ainsi, la paléontologie est devenue un domaine unique, offrant des perspectives en profondeur sur les processus biologiques et géologiques de notre planète.

L’objectif général de la section paléontologique de cette revue est de promouvoir l’excellence dans ce domaine de recherche, de se concentrer sur des sujets d’intérêt particulier et de publier des études qui feront avancer le domaine au XXIe siècle.

L’étude de la diversité et de la distribution des formes de vie éteintes conserve un rôle central en paléontologie, tout comme les travaux sur la diversité des organismes existants en biologie. Bien que cette activité de base soit souvent dénigrée comme un exercice intellectuellement inférieur par les chercheurs principalement intéressés à comprendre les modèles et les processus d’évolution à grande échelle, ces dernières études reposent sur la qualité des données morphologiques et taxonomiques primaires sous-jacentes. Les fossiles sont uniques pour documenter les changements sur de longs intervalles de temps, et présentent souvent des caractéristiques et des combinaisons de caractéristiques qui ne se trouvent pas dans les taxons existants (Edgecombe, 2010). Ils établissent également la distribution spatiale et temporelle des organismes. D’intenses efforts de reconnaissance à travers le monde continuent de mettre au jour un grand nombre d’espèces éteintes nouvelles ou peu connues (Caron et al., 2014), dont certains représentent de nouveaux plans corporels. Ces études constituent le fondement de la discipline, et son soutien à travers cette revue est essentiel pour la vitalité continue de la discipline. Cependant, l’approche pragmatique de ce type de recherche est déjà couverte par les revues spécialisées de chaque sous-discipline. L’aspect frontière de la documentation de l’histoire de la vie sur Terre est davantage lié à la nécessité d’intégrer les différentes sous-disciplines de la paléontologie dans l’étude plus large des archives fossiles du point de vue de l’évolution et de l’écologie (Gill et al., 2014). De plus en plus, les paléontologues étudient des communautés entières d’organismes éteints, permettant des approches plus holistiques pour comprendre les écosystèmes dans lesquels vivaient des formes de vie ou un groupe d’organismes particuliers et les conditions dans lesquelles ils sont morts et ont été préservés. Cette approche de l’étude des archives fossiles est devenue vraiment interdisciplinaire, s’appuyant sur un large éventail de sciences physiques et biologiques.

Comme plus de 99% des espèces ayant déjà vécu sur cette planète sont déjà éteintes (Raup, 1986), le nombre d’organismes fossiles encore à découvrir reste vaste. Depuis Darwin, il y a eu de nombreuses discussions sur l’exhaustivité relative des archives fossiles au fil des ans, mais de nombreuses études récentes ont soutenu que la qualité des archives s’était améliorée (par exemple, Wills et al., 2008). Bien que de nombreux aspects de l’évolution des plantes et des animaux aient effectivement été clarifiés au cours des dernières décennies, d’innombrables questions restent en suspens. Souvent, les nouveaux fossiles (et les nouvelles approches de leur étude) génèrent plus de questions que de réponses. Il est toujours nécessaire d’intégrer de nouvelles découvertes et de nouvelles données dans le tableau évolutif global, et d’examiner comment elles améliorent notre compréhension des processus évolutifs qui ont conduit aux formes de vie existantes et aux communautés qu’elles forment. Ainsi, les événements majeurs de l’histoire de la vie, y compris l’origine, le rayonnement adaptatif et l’extinction des principaux clades sont des tendances à long terme qui ne peuvent être entièrement comprises qu’à travers la perspective temporelle profonde fournie par la paléontologie. Cela continue d’être une frontière majeure de la paléontologie. Des recherches récentes sur l’origine et la diversification précoce des tétrapodes en fournissent un exemple particulièrement impressionnant (Clack, 2009).

La recherche phylogénétique sur les formes de vie existantes est de plus en plus basée principalement sur des données moléculaires. Les progrès technologiques spectaculaires ont grandement facilité l’acquisition et l’analyse de séquences génomiques et d’autres informations biomoléculaires. En effet, quelques chercheurs ont même complètement écarté la pertinence des données morphologiques pour la reconstruction de la phylogénie. Cependant, les organismes actuels ne représentent qu’un faible pourcentage de toutes les formes de vie qui ont jamais existé sur Terre, et la plupart des fossiles ne préservent pas les biomolécules. Ainsi, des études significatives de la biodiversité totale doivent impliquer un éclairage réciproque, en comparant et en testant à plusieurs reprises les hypothèses générées à partir de données moléculaires par comparaison avec des informations morphologiques provenant d’espèces existantes et éteintes.

Les schémas de diversification et d’extinction, tels que documentés par les archives fossiles, illustrent non seulement l’histoire de la biosphère, mais offrent également des informations sur les conséquences possibles de changements environnementaux majeurs à l’avenir. De nombreux chercheurs explorent maintenant les conséquences biologiques des cinq extinctions de masse au cours des 540 derniers millions d’années et des processus physiques responsables. Il s’agit d’un domaine d’investigation particulièrement pertinent à un moment où l’impact des changements environnementaux anthropiques suscite de plus en plus d’inquiétudes.

Ces dernières années, la question du changement climatique a reçu beaucoup d’attention de la communauté scientifique et du grand public. Les chercheurs s’accordent généralement sur le fait que le changement climatique affecte profondément les systèmes biologiques, mais on comprend moins bien comment les écosystèmes et les espèces individuelles réagissent à de tels changements. Ces deux domaines sont des domaines dans lesquels la recherche paléontologique peut avoir un impact majeur. La modélisation paléoclimatique est maintenant possible grâce à l’intégration de nombreuses sources d’informations géologiques, biologiques et chimiques, telles que les isotopes stables. Une meilleure compréhension de la relation entre le changement climatique et la diversification et l’extinction des organismes et communautés anciens fournit des études de cas pour évaluer les changements futurs dans la biosphère (McInerney et Wing, 2011). En examinant la crise environnementale actuelle, les données sur les périodes et les taux de changements dans le passé géologique sont d’une importance vitale pour évaluer les réponses possibles de la biosphère aux changements climatiques.

La force de la paléontologie réside dans les contributions uniques qu’elle peut apporter à la compréhension de l’histoire de la vie, comme les découvertes de grands groupes d’organismes jusqu’alors inconnus de la science, de nouveaux plans corporels, des études sur les taux de spéciation et d’extinction, et les origines et les changements ultérieurs dans les écosystèmes marins et continentaux. L’intégration des informations fournies par les archives fossiles aux données géologiques continuera de fournir de nouvelles informations cruciales sur de tels événements de l’histoire de la vie sur terre (Dunne et al., 2014). Cette revue souhaite donc publier des articles qui intègrent des données géologiques et paléobiologiques pour tester des hypothèses d’événements majeurs d’extinction.

Parmi les autres défis majeurs auxquels la discipline est confrontée, il convient de suivre les changements révolutionnaires qui se produisent dans les autres sciences naturelles et de tirer pleinement parti de ces changements pour maintenir le rôle de la paléontologie en tant que principal interprète de l’histoire de la vie sur Terre. La recherche paléontologique de pointe comprend maintenant la modélisation informatique pour tester des hypothèses concernant des aspects de la biologie de taxons éteints lorsqu’il n’existe pas de parents existants ou même d’analogues proches. Un exemple élégant consiste à tester les capacités locomotrices de grands dinosaures non aviaires bipèdes (Hutchinson, 2004).

Au cours des trois dernières décennies, la tomodensitométrie et les techniques d’imagerie associées (comme le balayage neutronique) ont ouvert de nouvelles voies passionnantes pour les études non destructives de la structure des fossiles. Initialement, ces études ont été menées sur des unités de tomodensitométrie médicale avec une résolution relativement faible, mais récemment, l’imagerie au niveau micro et même nano est devenue possible (Sanchez et al., 2012). L’histologie est également devenue un outil majeur pour l’étude des tissus durs des fossiles (Reisz et al., 2013). En particulier, cette approche a facilité l’étude des schémas de croissance et la reconstruction des taux métaboliques chez les vertébrés éteints (Padian et al., 2004).

Les progrès récents dans notre compréhension de la relation entre le développement et l’évolution chez les animaux existants ont fourni un nouveau domaine de recherche. Par exemple, la compréhension de la régulation du développement basée sur la génomique combinée à des données géochimiques pour la reconstruction paléoenvironnementale a beaucoup éclairé la diversification initiale des animaux multicellulaires (Erwin et al., 2011). Il est maintenant possible de tester, pour la première fois, des hypothèses de développement et de croissance chez des organismes éteints en utilisant des données de développement provenant de formes existantes. La recherche de pointe dans ce domaine comprend des études d’événements évolutifs passés avec des études moléculaires et développementales sur des organismes vivants (Rota-Stabelli et al., 2011; Gehrke et coll., 2015).

Le défi majeur pour la paléontologie dans les décennies à venir est l’intégration de la paléobiologie à la biologie évolutive, mais avec une bonne compréhension des questions évolutives pouvant être abordées dans le contexte des archives fossiles. L’équilibre est essentiel, car les explications réductionnistes des événements évolutifs majeurs ne sont pas conformes aux normes actuelles de la biologie évolutive moderne. Il est à bien des égards contre-productif de proposer des hypothèses simples basées sur des relations causales uniques entre des événements biologiques ou géologiques et des phénomènes majeurs aussi complexes que la coévolution des plantes et des animaux terrestres ou des événements majeurs d’extinction. La biologie évolutive moderne a révélé les interactions complexes entre les systèmes biologiques et terrestres qui défient les explications simples. Rapprocher la compréhension des processus macro et microévolutionnaires a été un défi historique pour les paléontologues et les biologistes de l’évolution et devrait continuer d’être l’objectif principal des étudiants dans les deux domaines de recherche.

Déclaration sur les conflits d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

Nous remercions le Prof. H. Bucher et le Dr. Peter D. Roopnarine pour leurs commentaires utiles sur un projet de cet éditorial.

Caron, J.-B., Gaines, R. R., Aria, C., Mangano, M. G. et Streng, M. (2014). Un nouvel assemblage en forme de lit de phyllopodes provenant des schistes de Burgess des Rocheuses canadiennes. NAT. Commun. 5:3210. doi: 10.1038/ncomms4210

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