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Frontiers in Earth Science

Dal riconoscimento dei fossili come resti di organismi viventi da parte dei primi polimathi come Leonardo da Vinci e Nicholas Steno, la paleontologia è diventata la finestra più chiara sulla lunga storia della vita sulla Terra. Durante gran parte del diciannovesimo e ventesimo secolo, la paleontologia era principalmente una scienza osservazionale, focalizzata sulla scoperta, denominazione e descrizione di piante fossili e animali. Di particolare nota, le prime scoperte di dinosauri e altri grandi animali estinti come i proboscidati hanno portato il campo della paleontologia all’attenzione del grande pubblico, e il fascino di queste strane creature del passato ha continuato a crescere da quel momento. Una linea parallela di indagine si è sviluppata attraverso l’uso di fossili per elaborare la successione e le età relative delle rocce sedimentarie in tutto il mondo, stabilendo un legame critico con altre scienze della terra e l’utilità pratica della ricerca paleontologica. Tuttavia, soprattutto dopo la pubblicazione del magnum opus di Darwin, i paleontologi divennero sempre più interessati a comprendere il significato dei fossili per ricostruire la storia della vita attraverso il tempo. A partire dall’inizio del ventesimo secolo, molti ricercatori si sono concentrati sull’interpretazione degli organismi estinti come esseri una volta viventi e sulle loro relazioni ecologiche con il loro ambiente e l’uno con l’altro. È quindi con l’accettazione di processi come l’origine, l’evoluzione e l’estinzione all’interno di quadri locali, regionali e globali, che la paleontologia è entrata davvero nell’era moderna, con i ricercatori che studiano l’evoluzione di particolari gruppi di organismi e comunità attraverso il tempo, e le loro interazioni all’interno e con la biosfera. Pertanto, la paleontologia è arrivata a rappresentare un campo unico, fornendo prospettive in profondità sui processi biologici e geologici del nostro pianeta.

Lo scopo generale della sezione paleontologica di questa rivista è quello di promuovere l’eccellenza in questo settore di ricerca, concentrarsi su argomenti di particolare interesse e pubblicare studi che porteranno avanti il campo nel XXI secolo.

Lo studio della diversità e della distribuzione delle forme di vita estinte mantiene un ruolo centrale nella paleontologia, proprio come il lavoro sulla diversità degli organismi esistenti in biologia. Sebbene questa attività principale sia spesso denigrata come un esercizio intellettualmente inferiore dai ricercatori principalmente interessati a comprendere modelli e processi di evoluzione su larga scala, questi ultimi studi stanno e cadono sulla qualità dei dati morfologici e tassonomici primari sottostanti. I fossili sono unici nel documentare i cambiamenti su lunghi intervalli di tempo e spesso hanno caratteristiche e combinazioni di caratteristiche non trovate nei taxa esistenti (Edgecombe, 2010). Stabiliscono anche la distribuzione spaziale e temporale degli organismi. Intensi sforzi di ricognizione in tutto il mondo continuano a scoprire un gran numero di specie estinte nuove o poco conosciute (Caron et al., 2014), alcuni dei quali rappresentano nuovi piani del corpo. Tali studi costituiscono il fondamento della disciplina, e il suo sostegno attraverso questa rivista è fondamentale per la continua vitalità della disciplina. Tuttavia, l’approccio nuts-and-bolts a questo tipo di ricerca è già coperto dalle riviste specializzate per ogni sotto-disciplina. L’aspetto di frontiera della documentazione della storia della vita sulla Terra è legato più alla necessità di integrare le varie sotto-discipline della paleontologia nello studio più ampio della documentazione fossile da prospettive evolutive ed ecologiche (Gill et al., 2014). Sempre più spesso, i paleontologi stanno studiando intere comunità di organismi estinti, consentendo approcci più olistici per comprendere gli ecosistemi in cui vivevano particolari forme di vita o gruppi di organismi e le condizioni in cui morirono e furono preservati. Questo approccio allo studio della documentazione fossile è diventato veramente interdisciplinare, attingendo a una vasta gamma di scienze fisiche e biologiche.

Poiché più del 99% delle specie che hanno mai vissuto su questo pianeta sono già estinte (Raup, 1986), il numero di organismi fossili ancora da scoprire rimane vasto. Da quando Darwin ci sono state molte discussioni riguardanti la relativa completezza della documentazione fossile nel corso degli anni, ma numerosi studi recenti hanno sostenuto che la qualità del record è migliorata (ad esempio, Wills et al., 2008). Sebbene molti aspetti dell’evoluzione vegetale e animale siano stati effettivamente chiariti negli ultimi decenni, rimangono innumerevoli questioni irrisolte. Spesso nuovi fossili (e nuovi approcci al loro studio) generano più domande che risposte. C’è una continua necessità di integrare nuove scoperte e nuovi dati nel quadro evolutivo generale, ed esaminare come migliorano la nostra comprensione dei processi evolutivi che hanno portato alle forme di vita esistenti e alle comunità che formano. Pertanto, i principali eventi nella storia della vita, tra cui l’origine, la radiazione adattativa e l’estinzione dei principali cladi sono tendenze a lungo termine che possono essere pienamente comprese solo attraverso la prospettiva del tempo profondo fornita dalla paleontologia. Questa continua ad essere una delle principali frontiere della paleontologia. Recenti ricerche sull’origine e la diversificazione precoce dei tetrapodi forniscono un esempio particolarmente impressionante (Clack, 2009).

La ricerca filogenetica sulle forme di vita esistenti è sempre più basata prevalentemente su dati molecolari. I drammatici progressi tecnologici hanno notevolmente facilitato l’acquisizione e l’analisi di sequenze genomiche e altre informazioni biomolecolari. In effetti, alcuni ricercatori hanno persino completamente respinto la rilevanza dei dati morfologici per la ricostruzione della filogenesi. Tuttavia, gli organismi attuali rappresentano solo una percentuale estremamente piccola di tutte le forme di vita che siano mai esistite sulla Terra, e la maggior parte dei fossili non conserva biomolecole. Pertanto, studi significativi sulla biodiversità totale devono coinvolgere l’illuminazione reciproca, confrontando e testando ripetutamente ipotesi generate da dati molecolari rispetto a informazioni morfologiche provenienti da specie esistenti ed estinte.

I modelli di diversificazione ed estinzione, come documentato dai reperti fossili, non solo illustrano la storia della biosfera, ma offrono anche intuizioni sui possibili risultati di importanti cambiamenti ambientali in futuro. Molti ricercatori stanno ora esplorando le conseguenze biologiche delle cinque estinzioni di massa negli ultimi 540 milioni di anni e i processi fisici causali. Questo è un campo di indagine particolarmente rilevante in un momento in cui vi è una crescente preoccupazione per l’impatto del cambiamento ambientale antropogenico.

Negli ultimi anni la questione del cambiamento climatico ha ricevuto molta attenzione da parte della comunità scientifica e del pubblico in generale. C’è un accordo generale tra i ricercatori sul fatto che il cambiamento climatico influisce profondamente sui sistemi biologici, ma è meno ben compreso il modo in cui gli ecosistemi e le singole specie rispondono a tali cambiamenti. Entrambe queste sono aree in cui la ricerca paleontologica può avere un impatto importante. La modellazione paleoclimatica è ora possibile attraverso l’integrazione di numerose fonti di informazioni geologiche, biologiche e chimiche, come gli isotopi stabili. Una maggiore comprensione della relazione tra il cambiamento climatico e la diversificazione e l’estinzione di antichi organismi e comunità fornisce casi di studio per valutare i futuri cambiamenti nella biosfera (McInerney e Wing, 2011). Guardando all’attuale crisi ambientale, i dati sui tempi e i tassi di cambiamenti nel passato geologico sono di vitale importanza per valutare le possibili risposte della biosfera ai cambiamenti climatici.

La forza della paleontologia è il contributo unico che può apportare alla comprensione della storia della vita, come le scoperte di grandi gruppi di organismi precedentemente sconosciuti alla scienza, i nuovi piani corporei, gli studi sui tassi di speciazione ed estinzione e le origini e i successivi cambiamenti negli ecosistemi marini e continentali. L’integrazione delle informazioni fornite dalla documentazione fossile con i dati geologici continuerà a fornire nuove intuizioni critiche su tali eventi nella storia della vita sulla terra (Dunne et al., 2014). Questa rivista vorrebbe quindi pubblicare articoli che integrano dati geologici e paleobiologici per testare ipotesi di grandi eventi di estinzione.

Altre grandi sfide che la disciplina deve affrontare includono tenere il passo con i cambiamenti rivoluzionari che si stanno verificando nelle altre scienze naturali e sfruttare appieno questi cambiamenti per mantenere il ruolo della paleontologia come interprete principale della storia della vita sulla Terra. La ricerca paleontologica all’avanguardia ora include la modellazione al computer per testare ipotesi riguardanti aspetti della biologia dei taxa estinti quando non esistono parenti esistenti o addirittura analoghi vicini. Un esempio elegante sta testando le abilità locomotorie in grandi dinosauri bipedi non aviari (Hutchinson, 2004).

Negli ultimi tre decenni, la scansione CT e le relative tecniche di imaging (come la scansione neutronica) hanno aperto nuove entusiasmanti strade per indagini non distruttive sulla struttura dei fossili. Inizialmente questi studi sono stati condotti su unità CT mediche con risoluzione relativamente bassa, ma recentemente è diventato possibile l’imaging a livello micro e persino nano (Sanchez et al., 2012). L’istologia è diventata anche uno strumento importante per studiare i tessuti duri dei fossili (Reisz et al., 2013). In particolare, questo approccio ha facilitato gli studi sui modelli di crescita e le ricostruzioni dei tassi metabolici nei vertebrati estinti (Padian et al., 2004).

I recenti progressi nella nostra comprensione della relazione tra sviluppo ed evoluzione negli animali esistenti hanno fornito una nuova area di ricerca. Ad esempio, la comprensione della regolazione dello sviluppo basata sulla genomica combinata con dati geochimici per la ricostruzione paleoambientale ha fatto molta luce sulla diversificazione iniziale degli animali multicellulari (Erwin et al., 2011). È ora possibile testare, per la prima volta, ipotesi di sviluppo e crescita in organismi estinti utilizzando dati di sviluppo da forme esistenti. La ricerca all’avanguardia in questo settore include indagini su eventi evolutivi passati con studi molecolari e di sviluppo sugli organismi viventi (Rota-Stabelli et al., 2011; Gehrke et al., 2015).

La sfida generale alla paleontologia nei prossimi decenni è l’integrazione della paleobiologia con la biologia evolutiva, ma con una buona comprensione di quali domande evolutive possono essere affrontate nel contesto della documentazione fossile. L’equilibrio è fondamentale, perché le spiegazioni riduzioniste dei principali eventi evolutivi non sono conformi agli standard attuali della moderna biologia evolutiva. È per molti versi controproducente proporre semplici ipotesi basate su singole relazioni causali tra eventi biologici o geologici e fenomeni di grandi dimensioni complessi come la co-evoluzione di piante e animali terrestri o grandi eventi di estinzione. La moderna biologia evolutiva ha rivelato le complesse interazioni tra sistemi biologici e terrestri che sfidano semplici spiegazioni. Colmare la comprensione dei processi macro e microevolutivi è stata una sfida storica per paleontologi e biologi evoluzionisti e dovrebbe continuare ad essere l’obiettivo primario per gli studenti in entrambe le aree di ricerca.

Dichiarazione sul conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.

Ringraziamenti

Ringraziamo il Prof. H. Bucher e il Dr. Peter D. Roopnarine per i loro utili commenti su una bozza di questo editoriale.nel 2014 è stato pubblicato il primo album in studio della band, “The World”, pubblicato nel 2014. Un nuovo assemblaggio simile a un letto di phyllopod dal Burgess Shale delle Montagne Rocciose canadesi. NAT. Comune. 5:3210. doi: 10.1038/ncomms4210

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